NO792707L - Fremgangsmaate ved fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av aluminium.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en karbotermisk reduksjon

av aluminiumoksyd til å gi aluminiummetall. I norsk søknad nr. 77.1867 er beskrevet en fremgangsmåte ved fremstilling av aluminium ved karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd. I henhold til den kjente fremgangsmåte beveges et smeltet aluminiumslagget inneholdende oppløst aluminiumkarbid, i rekkefølge gjennom en sone ved relativt lav temperatur, til hvilken karbon-tilførselsmaterialet tilsettes til slaget for omsetning med aluminiumoksydet for å heve aluminiumkarbidinnholdet i slagget, og deretter i.én sone med relativ høy temperatur hvori aluminium-karbidet reagerer med aluminiumoksydet under frigjørelse av aluminium metall som oppsamles og separeres fra slagget, idet aluminiumkarbidinnholdet i slagget samtidig nedsettes.

Slagget fra høy temperatursonen kan føres tilbake til den foregående lav temperatursone i et to kammer system, eller slagget kan fremføres til en etterfølgende lav temperatur sone i et fler karrsystem. Aluminiumoksydet tilføres på et egnet sted, vanligvis i lav temperatur sonen for å erstatte aluminiumoksydet

som forbrukes under prosessen. Forskjellige forbedrelser og modifikasjoner av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte er beskrevet i de følgende norske patentsøknader: nr. 78.3989, 78.3988 og 78.3987.

Reaksjonen i lavtemperatursonen kan beskrives som følger: mens reaksjonen i høy temperatursonen kan beskrives som følger:

; Disse reaksjoner er begge meget endoterme og forløper ved tem- |

I peratur henholdsvis i områdene 1950° - 2050°C og 2050 - 2150°C.'

De store gassvolumer som frigjøres i lavtemperatursonen eller soneneog ihøytemperatursonen eller sonene medfører vesentlig mengder røyk (både Al-metalldamp og aluminiumsuboksyd, Al.,0) . Mengden av røyk som føres med avgitt CO er betydelig større i .gassen som avgis i høytemperatursonen enn i gassen fra lavtemperatursonen, som følge av den høyere temperatur. Dette er til-felle uansett om den karbotermiske reduksjon av aluminiumoksyd utføres i et system hvor de to ovenfor nevnte reaksjoner for-løper i forskjellige soner i systemet. I norsk søknad nr. 77.1867 er beskrevet et system hvormed røykbestanddelene kan fjernes fra den avgitte gass ved å føre denne igjennom karbon-tilførselsmaterialet før dette innmates i lavtemperatursonen.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe

en forenklet og mere effektiv prosedyre for å fjerne røykbe-standdelene fra den avgitte gass. Foreliggende fremgangsmåte anvendes fortrinnsvis for å komplementere det allerede beskrevne røykfjerningssystem og har som særlig hensikt å oppnå en avkjølning og en partiell røykfjerning fra gass avgitt fra høytemperatursonen før gassen underkastes behandlingen beskrevet i norsk patent søknad nr. 77.1867.

I henhold til foreliggende oppfinnelse utføres gjenvinningen

av AlpO og Al-damp fra de avgitte gasser ved å bringe disse i kontakt med smeltet aluminiumslag, inneholdende oppløst Al^C^/ved en lavere temperatur enn gassens og under betingelser som tilveiebringer en vesentlig avkjølning av gassen og således fremmer i det minste en delvis partiell eksoterm tilbakereaksjon av Al20 og Al-damp med karbonmonoksyd. Som en følge av denne kontakt vil aluminiumslaggets temperatur stige som følge av opptag-ning av en vesentlig andel av den tilgjengelige kjemiske energi i gassens røykkomponenter og dessuten opptas ytterlig energi fra gassens egenvarme og følgelig vil Al20 og og Al-dampinn-holdet i gassen fra høytemperatursonen nedsettes tilsvarende. Varmen som opptas av slaget muliggjør at dette kan omsettes med ytterligere karbon for å øke dens innhold av aluminiumkarbid

, inntil likevekt gjenvinnes. Kontakten mellom den røykinnhold-ende gass og aluminium slagget utføres derfor fortrinnsvis i nær-

I

I vær av karbon, som reagerer endotermisk med aluminiumslagget

I

og således avkjøler dette.

Kontakten med sla<gg>et utføres passende ved å føre gassen som utvikles i høytemperatursonen til en lavtemperatursone på en slik måte at den bobler gjennom det smeltede slagg i lavtemperatursonen slik at det tilnærmes oppnås termisk og kjemisk likevekt med sla<gg>et i lavtemperatursonen. I lavtemperatursonen vil det vanligvis være ét flytende lag av karbontilførselsmateriale som vil bidra til å dispergere den boblende gasstrøm og også delta i en kjemisk reaksjon med gassformig Al og og således bidra til å oppnå kjemisk og termisk likevekt. Varmeoverføring fra gassen til slagget og utvikling av varme som følge av reaksjonen mellom røykbestanddelene og komponentene i slagget ( inn-befattende ikke omsatt karbon) vil være behjelpelig med å tilveiebringe i det minste én del av varmebehovet for den endoterme reaksjon mellom aluminiumoksyd og karbon i den første sone.

Det vil forståes at hvor denne arbeidsmåte for utførelse av foreliggende oppfinnelse anvendes i et system omfattende en serie av vekselvis lavtemperatursoner og høytem<p>eratursonér kan den avgitte gass føres tilbake fra en høytemperatursone til den foregående lavtemperatursone eller frem til en etterfølgende lavtemperatursone. Gassrommet i høytemperatursonen holdes ved et høyere trykk enn i lavtem<p>eratursonen for å drive gassen fra høytemperatursonen gjennom det smeltede slagg inn i lavtemperatursonen. Et tilstrekkelig drivende trykk i høytemperatursonen kan oppstå når slagg nivået i dette kun er 25 50 cm lavere enn slaggnivået i lavtemperatursonen.

Da gassen i det vesentlige bringes i kjemisk og termisk likevekt med slagget og karbonet i lavtemperatursonen vil gassens temperatur og røykinnhold nedsettes til verdier som er typiske for lavtemperatursonen. I et to kammer system er det foretrukket å innføre gassen fra høytemperatursonen inn i lavtemperatursonen på en slik måte at det dannes en elektrisk diskontinuitet eller sone med høy elektrisk motstand enten i slaggreturkanaleh eller tilstøtende dens utløp inn i lavtemperatursonen. Denne tilveie-bringelse av diskontinuitet eller sone med høy elektrisk mot-\ standsevne har til hensikt å gjøre den fremførende kanal som

den eneste strømfører mellom den første og andre sone/slik

i i som diskutert i norsk søknad 78.3988. For dette formål kan utløpet fra gasskanalen fra den andre sone fortrinnsvis inn-føres i slaggreturkanalen eller nær dens utløp i det første sone-kammer. På denne måte vil gasstrømmen fra det andre sonekar (produksjonsoppsamlingskaret) anvendes for å være behjelplig med slaggsirkulasjon ved å virke som en gassløfterpumpe.

I et annet alternativt arrangement føres.gassen som utvikles

i høytemperatursonen gjennom et legeme av smeltet slagg som holdes i en forbehandlingssone ved en temperatur under temperaturen i høytemperatursonen, eksempelvis 100°C enn temperaturen i høy-temperatursonen og således tilnærmet har temperaturen i lavtemperatursonen. Det smeltede slagg i forbehandlingssonen til--føres ny. kald eller relativt kaldt karbon og aluminiumoksyd tilførselsmateriale. Slaget tilføres varme fra gassens egenvarme og fra den eksoterme reaksjon med Al-damp og med CO. Dette tilveiebringer varme for en reaksjon me\Llom karbon og aluminiumoksyd slik at nytt, smeltet slagg kontinuerlig dannes i forbehandlingssonen. Dette slagg får denne over i lavtemperatursonen i det karbotermiske reduksjonssystem. I forbehandlingssonen oppvarmes det ny tilførte innmatingsmateriale til ca. lav-temperatursonens temperatur. CO gassen som reduserer Al-damp og A^O innholdet, blir etter at den forlater forbehandlingssonen fortrinnsvis blandet med gass og damper avgitt i lavtemperatursonen og gasstrømmen blir deretter ført til ytterligere gassbehandling og varmegjenvinningstrinn.

Det er foretrukket å tilveiebringe en hjelpeoppvarmingsanordning i forbehandlingssonen for å muliggjøre temperaturregulering i denne sone og for å unngå en uønsket temperatursenkning i slaget som renner over ilavtemperatursonen. I de vedlagte tegninger 1 og 2 er vist skjematisk et sideriss og et grunnriss av et to kammersystem for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved å tilbakeføre gass fra høytemperatursonen til kontakt med slagg i lavtemperatursonen.. Fig. 3 viser skjematisk et 2-kammer. system for fremstilling av aluminiummetall méd en tilhørende forbehandlingskammer for gjenvinning av røyk fra gass utviklet , i høytemperatursonen, ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte.

i fig. 1 og 2 utgjør karet 1 lavtemperatursonen i systemet og i innbefatter tilførselskanaler 2 og 3 for henholdsvis innføring av karbon og aluminiumoksyd tilførselsmateriale. Karet er forsynt med en gassutførselskanal for gass frigjort i begge soner i systemet.

Lavtemperatursonen representert ved kammer 1 er forbundet med høytemperatursonen, representert ved kammer 4 ved en fremstrøm-ningsleder 5 for slagg, i hvilken en vesentlig del av annen sones reaksjon finner sted. Som allerede vist i norsk patent søknad nr. 77.1867 vil utvikling av gass i denn oppadhellende fremførende strømningsleder 5 fremme sirkulasjon av slagg i systemet og slagg føres tilbake fra kar 4 til kar 1 gjennom en oppadrettet returkanal 6. Varmetilførsel til systemet oppnås ved hjelp av elektrisk motstandsoppvarming ved å føre en elektrisk strøm mellom elektroder 7 og 8, henholdsvis anordnet i kammer 1 og 4. For å beskytte elektrodene 8 mot slaggangrep i kammeret 4 så er elektroden anordnet i sideveggen 9 slik at elektroden Ikke er dierkte kontakt med slagget men kun er dir-ekte kontakt med et relativt kaldt lag 10 av dannet aluminium.

I det første kar 1 vil reaksjonen mellom tilbakeført slagg fra det andre kar 4 og nytilført karbon finne sted i det vesentlige i området for det supernatante lag 12 av karbonpartikkler til-ført via tilførselskanalen 2.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det andre kammer 4 i det vesentlig lukket for å tilveiebringe et gassrom 14, som under drift vil være ved overatmosfærisk trykk. En gass kanal 15 er ført fra rommet 14 inn i utløpsområdet for slaggreturlederen 6 for. således å tilveiebringe en sone med høy elektrisk motstand, som i realiteten fører til en elektrisk diskontinuitet i dette området. Dette sikrer at 90% eller mere av strømmen som føres mellom elektrodene 7 og 8 føres gjennom strømningskanalen 5 slik at den vesentligste varmegenerering ved hjelp av elektriske mot-standoppvarming finner sted i den fremførende strømningskanal 5 fordi den elektriske motstand i slaggnassen i kammerene 1 og 4 er lav i forhold til motstanden i slagget i den relativt begrens-ede passasje i strømningskanalen 5.

i I fig. 3 utgjør karet 31 lavtemperatursonen for det karboter-<:>miske reduksjonssystem og innbefatter separate tilførselskana-ler 32 og 33 for henholdsvis innføring av karbon og aluminium-oksydtilførselsmateriale. Kammeret 31 er forsynt med en gass-utførselskanal 34 for frigjøring av gass dannet i lavtemperatursonen av systemtet. Selv om aluminiumoksydet fortrinnsvis tilsettes til det sirkulerende slagget i kar 31, så gjøres dette kun av letthets hensyn i det aluminiumoksydet uten vansklighet kan

tilsettes i andre deler av systemet.

Lavtemperatursone karet 31 er forbundet med høytemperatursone karet 35 ved en fremadrettet strømingskanal 35 for slag<g>± hvilken kanal hoveddelen av høytemperatursonereaksjonen finner sted. Utvikling av gass i denne oppadrettede strømingskanal 36 fremmer, sirkulasjon av slagg i systemet. Slagg føres tilbake fra kar 35 til kar 31 via en oppadrettet returkanal 37. Varmetilførsel til systemet oppnås ved hjelp av elektrisk motstandsoppvarming ved å føre en strøm mellom ikke viste elektroder i henholdsvis karene 31 og 35.

I lavtemperaturkaret 31 vil reaksjonen mellom slagg tilbakeført fra kammeret 35 og nytilført karbon i det vesentlige finne sted i området for det supernatante lag av karbonpartikler som til-føres via lederen 33.

Kar 35 er i det vesentlige lukket for å tilveiebringe et gassrom 4 4 som under drift vil være ved overatmosfæriske trykk. En gasstrømningsleder 45 fører fra rommet 44 og inn i forbehandlingskammeret 46. Forbehandlingskammeret 46 er forsynt- en gass-utførselskanal 47, som forbinder gassutløpskanal 34 fra karet 31. og en materialtilførselskanal 48 gjennom hvilken fast Al^ O-^ og karbon tilføres til kammeret 46. Alternativt kan separate kana-ler anvendes for tilførsel av aluminiumoksyd og ka-rbon til kar 46 for å muliggjøre en lettere kontroll med de relative andeler

av disse materialer. Når nytt fast materiale innføres gjennom kanal 48 vil en tilsvarende mengde flytende slagg renne over fra karet 46 via en oppad hellende kanal 49 og over en demning 50 inn i kammeret 31. Den nedre ende av gasskanal 15 er anordnet for å være under nivået av demninge. n 50 for sikre avlevering |t

av gass under overflaten av slaggdammen i karet 46, og således j sikre en intim kontakt mellom gass og slag i forbehandlings-karet 46. Under drift vil den vertikale avstanden mellom dem-ningen 50 og utløpsenden for gasslederen 45 bestemme trykkfor-skjellen mellom atmosfæren i kammeret 35 og kammerene 31 og 46. Slagget i kanalen 49 virker som en gassforsegling å forhindré passasje av gass fra kammeret 35 til kammeret 31.

Det er funnet at ved drift av systemet på en slik måte at temperaturen av slagget i forbehandlingssonen holdes ved ca. den samme temperatur som slagget i lavtemperatursonen vil CO innholdet av gassen fra høytemperatursonen 35 bli noe utarvet og.AL^O^ som renner over i slagget får et forøket innhold i forhold til Al^ O^ tilførsel til behandlingskammeret som følge av reaksjonene som finner sted i forbehandlingskammeret 46.

Al-damp og A^O^ innholdet i gassen fra kammeret 35 kan senkes til ca. 20% av de opprinnelige verdier. Al-damp og A^O^ tatt opp fra gasstrømmen omdannes til Al^C^og A^O^ som følge av omsetning med gassformig CO og det faste karboninmating.

Kontroll av temperatur i forbehandlingssonen kan oppnås ved å forandre innmatningshastigheten for tilført karbon og aluminiumoksyd. Forøkning i tilførselshastigheten for aluminiumoksyd vil føre til en.senkning av slaggets temperatur, mens karbon må tilføres i en mengde som i det minste er tilstrekkelig til å fremme maksimal gjenvinning av gassformig aluminium og Al^ O^ fra karbonmonoksydstrømmen når aluminiumkarbid oppløses

i slagget som resirkuleres til lavtemperatursonen fra forbeha-ndlingen.

En hjelpeoppvarmingsanordning (ikke vist) er fortrinnsvis anordnet for å tilføre varme i den hensikt å lette kontroll av slagg temperaturen i forbehandlingssonen.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av aluminiummetall hvor en sirkulerende strøm av smeltet aluminiumslagg, inneholdene aluminiumslag, inneholdene aluminiumkarbid føres gjennom en eller flere soner holdt ved en relativt lav temperatur, i hvilken sone karbon tilførselsmateriale innfø res for omsetning med aluminiumoksyd under dannelse av ytterligere aluminiumkarbid under avgivelse av karbonmonoksydgass, og gjennom en eller flere høy-temperatursoner som holdes ved en slik temperatur at aluminium-,karbid reagerer med aluminiumoksyd under dannelse av aluminiummetall under en samtidig avgivelse av karbonmonoksydgass. inneholdene betydlig mengder gassformig aluminiumsuboksyd og aluminium-damp, karakterisert ved at karbon-monoksydgassen avgitt i høytemperatursonen eller sonene bringes i kontakt med smeltet aluminiumslagg, inneholdene oppløst aluminiumkarbid, ved en lavere temperatur enn gassen, idet gassen og slagget bringes i kontakt under betingelser som fører til en vesentlig avkjøling av gassen og således fører til i det minste en partiell eksotermisk reaksjon av dens innhold, av aluminiumsuboksyd og aluminiumdamp med karbonmonoksyd.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det smeltede sla <gg> bringes i kontakt med karbonmonoksydgass i nærvær av karbon.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gassen fra høytemperatursonen bringes i intim kontakt med slagget i systemets lavtemperatursone.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at et lag av ikke omsatt karbon bibeholdes på slagget i lavtemperatur sonen og at gasstrømmen fra hø ytemperatursonen innføres i sla <gg> et i lavtemperatursonen under laget av ikke-omsatt karbon.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, k a r a k t e . r i- I sert ved at gasstrømmen innføres i en kanal som fører; en slaggstrøm inn i lavtemperatursonen hvorved det i slaggstrøm-men etableres en sone med høyelektrisk motstand.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at gasstrømmen innføres i kanalen ved et sted til-støtende dens utløpende.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3-6, karakter i' sert ved at aluminiumitilførselsmaterialet innfø res i lavtemperatursonen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 3-7, karakterisert ved at gass fra høytemperatursonen bobles gjennom slagget i lavtemperatursonen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 3-8, karakterisert ved at slaggnivået i lavtemperatursonen holdes i den høyde som er 25-50 cm over nivået i høytemperatursonen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gasstrømmen fra høytemperatursonen bringes i intim kontakt med et legeme av smeltet aluminiumslagg i en forbehandlingssone som holdes ved en lavere temperatur enn den i høy-temperatursonen, at aluminium og aluminiumkarbontilførsels-materiale tilføres forbehandlingssonen og en strøm av overskudds-lag utføres fra forbehandlingssonen og inn i en lavere temperatursone og at en strøm av kjølet gass utarmet med hensyn til innhold av aluminiumsuboksyd og aluminiumdamp utføres fra for-behandlings sonen .

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at gasstrømmen fra høytemperatursonen bobles gjennom slagget i forbehandlingssonen.

12. Fremgangsmåte ifølge, krav 10 eller 11, karakterisert ved at strømmen av overskuddsslagg føres fra forbehandlingssonen via en oppadrettet slaggkolonne som tilveiebringer : en gasstettf orsegling mellom f orbehandlingssonen og lavtempera-j- i tursonen. t

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10-12, karakterisert ved at en separat forbehandlingssone er assosiert med hver lavtemperatursone i prosessen.

14. Fremgangsmåte ifølge kravene 10-13, karakterisert ved at kontrollen av temperaturen i slagg i forbehandlingssonen kontrolleres ved å variere forholdet mellom tilsetningshastigheten for de respektive tilførselsmateriale til denne.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 10-15, karakterisert ved at' temperaturen av slagget i forbehandlingssonen kan kontrolleres ved tilførsel av ytterligere varme fra en hjelpevarmekilde.