專利名稱：使用具有爐內(nèi)溫度控制的單一爐碳熱還原的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在單一反應(yīng)器室碳熱爐中生產(chǎn)低碳鋁的方法，該爐可控制以降低或升高反應(yīng)器室內(nèi)部的反應(yīng)物溫度。
背景技術(shù)：
美國專利說明書2,974,032(Grunert等人)和6,440,193B1(Johansen等人)以及Proceedings 6thConference onMolten Slags，F(xiàn)luxes and Salts，Edited by S.Seetharaman andD.Sichen“Carbothermic Aluminum”，K.Johasen，J.Aune，M.Bruno和A.Schei，Stockholm，Sweden-Helsinki Finlad，June12-17，2002中已經(jīng)描述了氧化鋁的直接碳熱還原。長久以來已認識到發(fā)生如下總反應(yīng)Al2O3+3C＝2Al+3CO(1)或通常可以分步進行，例如2Al2O3+9C＝Al4C3+6CO(蒸氣)(2)Al4C3+Al2O3＝6Al+3CO(蒸氣)(3)Al2O3+2C＝Al2O(蒸氣)+2CO(蒸氣)(4)Al2O3+4Al＝3Al2O(蒸氣)(5)，和Al＝Al(蒸氣)(6)反應(yīng)(2)發(fā)生在低于2000℃且通常為1900-2000℃的溫度下。重要的是，作為鋁產(chǎn)生反應(yīng)的反應(yīng)(3)發(fā)生在約2050℃的更高溫度下，并需要大量的熱量輸入。非常重要的是，除反應(yīng)(2)和(3)中提到的物質(zhì)外，揮發(fā)性物質(zhì)包括反應(yīng)(6)中的氣態(tài)Al和反應(yīng)(4)或(5)中形成的氣態(tài)低價氧化鋁Al2O。在總的碳熱還原過程中，通過在通常被稱為蒸氣回收單元或蒸氣回收反應(yīng)器的獨立反應(yīng)器中使它們與碳反應(yīng)來回收Al2O和Al氣體。
涉及碳熱還原以生產(chǎn)鋁的其它專利包括美國專利說明書4,099,959(Dewing等人)，其中描述了雙反應(yīng)區(qū)，并使廢氣經(jīng)過顆粒狀碳材料并逆流(countercurrent)到氣體洗滌塔中的新煤或“生”焦炭。美國專利說明書4,033,757和4,388,107(均為Kibby)教導(dǎo)了通過加熱熔體表面到約2100℃同時在爐渣中保持約1850℃的較低溫度來減少碳含量，由此降低金屬中的C(碳)。然而該方法似乎難于操作，并可能引起過量的蒸發(fā)。前一Kibby‘757專利在于1850-1950℃開始的工藝中使用電弧加熱和等離子流，然后電弧加熱到2100℃，產(chǎn)生具有＜10重量％C的Al。后一Kibby‘107利用二級爐或獨立的脫碳區(qū)，其需要將非常熱的金屬和爐渣轉(zhuǎn)移到爐中和從爐中轉(zhuǎn)移出。
本領(lǐng)域中的其它技術(shù)包括例如美國專利說明書4,334,917和4,533,386(均為Kibby)，它們教導(dǎo)使用多個反應(yīng)器或附加的脫碳區(qū)。于2003年8月23日提交的US10/646,507(J.Aune等人，-案號03-0668)教導(dǎo)了用于單反應(yīng)器室碳熱爐的電極配置，其中彼此連接的代替底襯作為電接觸的側(cè)壁電極，與豎直電極都浸入液體爐渣中。
在碳熱過程中，雙反應(yīng)區(qū)或多個爐的使用增加了工藝的費用和不必要的復(fù)雜性。需要的是有效且簡單的回收含有較低碳的鋁的方法。因此，本發(fā)明的主要目標(biāo)之一是通過使用具有反應(yīng)器室溫度控制的單一反應(yīng)器室碳熱爐，提供成本和能量更有效的改良鋁生產(chǎn)方法。
發(fā)明概述通過提供使用單一碳熱反應(yīng)器以生產(chǎn)具有低碳含量鋁的方法滿足了上述需要并解決了上述問題，該方法包括(a)提供具有單一中空的內(nèi)部反應(yīng)器室并具有多個底部電阻加熱電極和一個或多個可選的豎直頂部電極的單一爐；然后(b)向爐內(nèi)添加用于起動工藝的Al2O3和C并熔融它們的混合物，以提供溫度為約1875-2000℃的(Al2O3-Al4C3)爐渣和過量的Al4C3；然后(c)向爐渣中添加Al4C3，并升高爐溫以形成溫度約2050-2100℃的具有約6-7重量％C的頂部Al相和底部爐渣相；然后(d)向A1-C/爐渣中添加Al2O3，該Al2O3添加導(dǎo)致產(chǎn)生富Al2O3的爐渣并導(dǎo)致溫度降低到約1800-1900℃，以便在單一反應(yīng)器室中產(chǎn)生脫碳反應(yīng)，提供溫度為約1800-1900℃的具有少于(＜)5重量％C的頂部Al相和底部(富Al2O3-Al4C3)爐渣；然后(e)排出頂部的＜5重量％C的Al相；和(f)重復(fù)步驟(b)-(e)。然后使用該爐渣開始下一循環(huán)。通過向底部爐渣添加一些C和Al2O3開始下一循環(huán)并重復(fù)步驟(c)-(e)。排出的鋁相優(yōu)選是＜3重量％C的Al并且在步驟(c)中添加的Al4C3來自與反應(yīng)器連接的蒸氣回收單元。
在步驟(b)中，優(yōu)選使用利用可伸縮的至少一個豎直頂部電極的電弧加熱以提供爐渣。在步驟(d)中，非常重要的是，在該階段添加Al2O3降低爐內(nèi)溫度并通過將大量的C從鋁中轉(zhuǎn)移到爐渣中來改變爐渣的組成。這提供了非常簡單的方法來生產(chǎn)較低碳含量的鋁，其中在工藝中僅使用一個爐或反應(yīng)器。
附圖簡述參考附加的非限制性附圖進一步描述本發(fā)明，其中

圖1是顯示用于鋁生產(chǎn)的碳熱還原方法的現(xiàn)有概念化系統(tǒng)的一個實例的流程圖，該系統(tǒng)包括廢氣蒸氣回收反應(yīng)器以便將Al2O和Al蒸氣回收為Al4C3和/或Al2O3固體(和Al4C3-Al2O3爐渣)；和圖2是顯示利用單一反應(yīng)器生產(chǎn)低碳鋁的本發(fā)明中涉及的步驟的流程圖。
優(yōu)選實施方案詳述圖1是碳熱反應(yīng)方法一個實施方案的簡化圖解，該方法生產(chǎn)Al并將廢氣中的Al、Al2O和CO回收為Al4C3、Al2O3和爐渣，并將這些材料送入熔煉爐中。在圖1中，虛線顯示氣流而實線顯示固體和熔融物質(zhì)流。
在圖1中，為簡單起見，將來自碳熱熔煉爐(包括第一階段1和可能的第二階段2)的廢氣，通過管道3和4送到在約1600-2050℃(取決于反應(yīng)器類型)溫度下操作的封閉廢氣反應(yīng)器5中。可以存在多于一個的這種反應(yīng)器，例如一個對于階段1的熔爐1而一個對于階段2的熔爐2。反應(yīng)器5可以是逆流移動床反應(yīng)器或流化床或一系列流化床。進入反應(yīng)器5的廢氣中的Al組分與碳反應(yīng)形成Al4C3、Al2O3和Al4C3-Al2O3爐渣材料?？梢允褂霉艿?運送這些材料到階段2。
來自反應(yīng)器5的氣體主要含CO、和可能的來自炭(charcoal)反應(yīng)器爐料的揮發(fā)部分的一些H2，且?guī)缀鯖]有或沒有Al或Al2O。來自反應(yīng)器5的廢氣由于熱的CO因而具有高的能量值，并且可用于在燃氣輪機或常規(guī)鍋爐中生產(chǎn)電能。鋁蒸氣物質(zhì)將反應(yīng)為碳化物，冷凝為Al2O3和C或形成Al2O3-Al4C3爐渣。將Al4C3-Al2O3爐渣和未反應(yīng)的碳通過管道6送入碳熱熔爐的第二階段。如圖1所示Al-C液體合金離開熔爐階段2，其中圖1中(s)表示固體，(v)表示蒸氣而(liq)表示液體。
圖2說明了本發(fā)明方法中的基本步驟、反應(yīng)和反應(yīng)物。該新方法使用單一爐，因此無需爐渣再循環(huán)，并對爐渣進行電阻加熱以避免過量的蒸發(fā)。在該方法的第一步驟中，添加Al2O3和碳，產(chǎn)生可能含有高于飽和值的過量Al4C3的Al2O3-Al4C3爐渣。在約1875-2000℃溫度下操作該爐以產(chǎn)生爐渣。第二步驟在約2050-2100℃下產(chǎn)生Al-6-8重量％C的合金，并需要附加能量和附加的Al4C3，部分Al4C3是第一步驟產(chǎn)生的過量部分而剩余部分來自蒸氣回收單元。接下來，向爐中添加室溫Al2O3，產(chǎn)生富Al2O3的爐渣，并且溫度降至約1850℃。這將碳除去到富氧化鋁的Al2O3-Al4C3爐渣中。這將除去約65重量％的碳，即鋁中的碳將從6重量％降到2重量％。整個方法簡單很多，因為該方法不是多階段反應(yīng)器并且無需熱液體爐渣的轉(zhuǎn)移。
在圖2的第一步驟10中，產(chǎn)生爐渣。在第二步驟20中，在爐渣相22的頂部產(chǎn)生具有約5-7重量％C的金屬21，并釋放出氣體(為了簡化未顯示)。在第三步驟30中，在降低的溫度下提供提取(extraction)或脫碳反應(yīng)以減少蒸氣損失，其中添加的Al2O3為環(huán)境溫度(約20-約35℃)，且重要的是，有助于顯著降低溫度和提供步驟40中的富氧化鋁的爐渣。這里，將C從Al相中轉(zhuǎn)移出以提供含有少于(＜)5重量％C相的鋁相，優(yōu)選a＜3重量％C的相23，然后將其排出。在一定程度上可合并步驟30和40。
總之，在該工藝中，我們有
爐渣制備為了起動該工藝，添加Al2O3和碳以便在約1900-2000℃下制備液體爐渣，77Al2O3-23％Al4C3(摩爾百分比)和一些過量的Al4C3。一些Al2O和Al蒸氣形成并進入蒸氣回收反應(yīng)器5。一旦該工藝處于穩(wěn)定狀態(tài)，爐渣制備的起點是在前循環(huán)中脫碳后剩余的爐渣。
金屬制備通過下面的反應(yīng)在約2050-2100℃生產(chǎn)金屬Al2O3+Al4C3＝6Al+3CO添加來自蒸氣回收反應(yīng)器5的碳化鋁。約17％的Al將以Al2O和Al形式蒸發(fā)。不可能使所有的爐渣反應(yīng)，因為通過穿越爐渣的爐渣電阻加熱提供能量，因而必須在爐中保留一些爐渣。約20％爐渣不發(fā)生反應(yīng)，從而保留用于電阻加熱?？梢酝ㄟ^在添加所有碳化物后升高溫度和通過減少爐渣中的碳化物含量和金屬中的碳來進行一些脫碳，但這將導(dǎo)致大量Al2O和Al蒸發(fā)。
脫碳向爐中添加Al2O3以便從金屬中除去碳。一些電能是必須的以便加熱和熔融Al2O3，然而一些能量來自爐渣的顯熱因為爐渣溫度高于脫碳所需溫度。允許爐渣-金屬體系冷卻到約1850℃。爐渣變得富Al2O3并且碳從金屬中轉(zhuǎn)移到爐渣(Al4C3)中。排出金屬，且得到的富Al2O3液體爐渣是返回爐渣制備的起點。
排出金屬后，溫度升高到約1900-2000℃，并再次添加Al2O3和碳，以產(chǎn)生所需液體爐渣組成和過量Al4C3用于金屬制備。在該工藝中，產(chǎn)生攜帶Al的大量CO，其中該Al為Al和Al2O的氣態(tài)物質(zhì)形式。這些物質(zhì)在蒸氣回收反應(yīng)器5中轉(zhuǎn)變?yōu)锳l4C3并在金屬制備過程中返回爐中，所有這些如圖2所示。
通常，本發(fā)明在步驟10中僅使用單一爐11，如圖2所示，該爐具有側(cè)壁和底部，及單一、中空的反應(yīng)器室13；沒有內(nèi)部底流隔離壁/擋板等。該爐可以具有基本為矩形、正方形、圓形或橢圓的形狀。爐側(cè)壁內(nèi)是底部電阻加熱電極16，優(yōu)選位于所示反應(yīng)器的一個或多個側(cè)部中。在步驟10中，優(yōu)選使用至少一個頂部豎直可伸縮外部電極12。該電極可以在起動或穩(wěn)定狀態(tài)提供電弧以便將加入的固體Al2O3和C熔化以產(chǎn)生熔融爐渣相Al2O3-Al4C3爐渣和附加的Al4C3。
電極12和16可以由碳、石墨或非自耗的惰性陶瓷材料制成，其中通過電流裝置19分別為每個電極供電。底部電阻加熱電極優(yōu)選為水平，并用于金屬制備中以減少過度加熱金屬和引起過量蒸發(fā)。底部電極16也優(yōu)選位于底部相熔融爐渣相/水平22處/附近，如步驟20、30和40所示。在步驟10和20中，Al2O、蒸氣、CO和Al作為氣流3和3′排出。步驟10-30中的Al2O3、C、Al4C3供應(yīng)裝置優(yōu)選是氣密性。然后可以將純化的鋁流26通到任何數(shù)目的設(shè)備中，例如去除例如H2的除氣設(shè)備，從熔體中除去氧化物的造渣(fluxing)設(shè)備，最后到鑄造設(shè)備以提供未合金化的初始型材例如約50磅(22.7Kg)-750磅(341Kg)的鑄錠等。然后可在保溫爐或混合爐中再次熔融這些鑄錠以最終合金化，或可以將熔體從造渣設(shè)備直接通到用于最終合金化的爐中并鑄造為合金化的鋁型材(shape)。
盡管上文出于說明目的，已經(jīng)描述了本發(fā)明的特定實施方案，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，可以在不背離由附加權(quán)利要求限定的發(fā)明的情況下，對本發(fā)明的細節(jié)做出許多變化。
該工藝如何工作的實施例以金屬制備階段開始，100摩爾77％Al2O3-23％Al4C3爐渣。當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)(3)發(fā)生。向爐渣中添加Al4C3以維持爐渣組成。反應(yīng)進行直到爐中剩余有15摩爾Al2O3和5摩爾碳化物。該工藝將產(chǎn)生372摩爾Al但62摩爾將蒸發(fā)，剩余310摩爾是含約7.5重量％C的液體Al。
蒸發(fā)的Al將產(chǎn)生約15摩爾的碳化物。在爐渣制備過程中，蒸發(fā)足夠的Al以產(chǎn)生10摩爾碳化物。在金屬制備步驟中需要總共62摩爾的碳化物。28摩爾碳化物反應(yīng)自爐渣而約25摩爾來自蒸氣回收反應(yīng)器(“VRR”)，其中缺少約9摩爾Al4C3?？梢栽跔t渣制備中產(chǎn)生這額外的碳化物，因此實際的起點是含有77％Al2O3-23％Al4C3的100k摩爾爐渣和9k摩爾Al4C3。由VRR添加約25k摩爾Al4C3。
對于金屬制備，將爐渣+Al4C3加熱到較高溫度(2050-2100℃)產(chǎn)生310k摩爾含約7.5重量％C的鋁金屬。剩余約20k摩爾爐渣用于電阻加熱。
對于脫碳，添加75k摩爾Al2O3制得最終的爐渣90k摩爾Al2O3和12摩爾Al4C3。降低溫度到約1850℃。在該較低溫度下，爐渣和金屬間的碳分配比例增加。金屬的碳含量從約6.0重量％減少到2.5重量％。這是基于爐渣和金屬之間的碳分配比例為2和8904kg金屬和9900kg爐渣。將金屬排出，剩余的爐渣90k摩爾Al2O3-12k摩爾Al4C3是爐渣制備的起點。
將金屬排出之后，將溫度提高到約2000℃，并添加Al2O3和碳以便產(chǎn)生所需的液體爐渣組成和過量的Al4C3用于金屬制備。這將需要約225k摩爾的C和37k摩爾的Al2O3。在制備爐渣后，重復(fù)金屬制備步驟。
已經(jīng)描述了目前優(yōu)選的實施方案，應(yīng)理解的是，在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)能夠以另外方式實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.使用單一碳熱反應(yīng)器生產(chǎn)低碳含量鋁的方法，該方法包括(a)提供具有單一中空的內(nèi)部反應(yīng)器室并在爐壁中具有多個底部電阻加熱電極和一個或多個可選的豎直電極的單一爐；(b)向爐內(nèi)添加用于起動工藝的Al2O3和C并熔融它們的混合物，以提供溫度約1875-2000℃的(Al2O3-Al4C3)和過量的Al4C3爐渣；(c)向爐渣中添加Al4C3，并升高爐溫以形成溫度約為2050℃-2100℃的具有約6-8重量％C的頂部Al相和底部爐渣相；(d)向Al-C/爐渣中添加Al2O3，該Al2O3添加導(dǎo)致產(chǎn)生富Al2O3的爐渣并導(dǎo)致溫度降低到約1800-1900℃，以便在單一反應(yīng)器室中發(fā)生脫碳反應(yīng)，提供溫度為約1800-1900℃的具有少于＜5重量％C的頂部Al相和底部(富Al2O3-Al4C3)爐渣；(e)排出頂部的＜5重量％C的Al相；和(f)重復(fù)步驟(b)-(e)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使用至少一個豎直頂部電極在步驟(b)中提供電弧加熱。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(d)中，Al2O3的添加改變爐渣組成，將C從Al中轉(zhuǎn)移到爐渣中，并且其中在步驟(d)中，頂部Al相具有＜3重量％C，在步驟(e)中將其排出。
4.權(quán)利要求1的方法，其中將來自步驟(b)和步驟(c)Al產(chǎn)生的包含Al2O、CO的廢氣送入反應(yīng)器以產(chǎn)生步驟(c)中添加到爐渣中的Al4C3和Al2O3或Al4C3-Al2O3爐渣。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(d)中的頂部Al相具有＜3重量％C，在步驟(e)中將其排出。
6.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(e)后，將溫度升高到約1875℃-2000℃，并添加Al2O3和C以便開始步驟(a)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(d)中，在脫碳過程中將C從Al相中轉(zhuǎn)移到爐渣中。
8.權(quán)利要求1的方法，其中將Al2O、CO和氣態(tài)Al通到廢氣反應(yīng)器，其中添加C以產(chǎn)生固體Al4C3和Al2O3和Al4C3-Al2O3爐渣，將其返回到爐中。
9.權(quán)利要求8的方法，其中在步驟(c)期間將Al4C3返回。
10.權(quán)利要求1的方法，其中底部電阻加熱電極位于靠近底部爐渣相的爐側(cè)部中，且該電極的材料選自碳、石墨或包括陶瓷的非自耗惰性陽極材料。
11.權(quán)利要求1的方法，其中使用來自步驟(d)的爐渣連同附加的Al2O3和C作為下一循環(huán)的起始材料。
全文摘要
使用具有單一中空反應(yīng)器室并在反應(yīng)器側(cè)部中具有底部電阻加熱電極(16)(13)的單一碳熱反應(yīng)器/爐(11)制備鋁的起動工藝，包括添加Al
文檔編號C22B21/00GK101023190SQ200580031452
公開日2007年8月22日 申請日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月1日
發(fā)明者R·J·弗魯汗 申請人:美鋁公司, 埃爾凱姆公司