ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Изобретение относится к области металлургии, в частности к металлургии легких металлов, и может быть использовано для получения алюминия.
Известен способ получения алюминия из оксида алюминия путем его термической обработки углеродом (см. Реми Г. «Курс неорганической химии. - М.: Мир, 1972. - 343 с.).
К недостаткам, препятствующим получению указанного ниже технического результата, относится то, что из - за образования карбида алюминия выход алюминия в конце процесса очень низкий, что делает этот способ неэкономичным и ставит под сомнение его практическое использование.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является получение алюминия по субгалогенидному способу путем термической обработки оксида алюминия углеродом, дальнейшего получения парообразного субгалогенида алюминия и его последующего вывода из зоны реакции, охлаждения и выделения металлического алюминия (см. Беляев А.И. «Металлургия легких металлов». - М.: Металлургия, 1970. 260 с.), который был выбран заявителем за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе процесс восстановления углеродом ведут в присутствии металла, дающего сплавы с алюминием и обладающего высокой температурой кипения, например, железа, кремния, меди. Кроме того, процесс протекает при температурах более 2000°С, что весьма проблематично из-за трудностей подбора материалов футеровки оборудования и затрачивается дополнительная энергия для расплава металла - осадителя. Все это так же создает трудности для широкого промышленного применения этого способа.
Цель изобретения - вывести алюминий из зоны реакции уже в виде субгалогенида алюминия и снизить себестоимость алюминия.
Технический результат - снижение температуры ведения процесса и повышение экономичности способа получения алюминия вследствие снижения расхода электроэнергии.
Технический результат достигается способом получения алюминия, включающим термическую обработку оксида алюминия углеродом, получение парообразного субгалогенида алюминия, его последующий вывод из зоны реакции, охлаждение и выделение металлического алюминия, согласно изобретению, термическую обработку углеродом ведут в расплаве оксида алюминия с солями галогеноводородных кислот и в присутствии тригалогенида алюминия при получении парообразного субгалогенида алюминия за одну операцию.
Кроме того, особенность способа заключается в том, что получение парообразного субгалогенида алюминия ведут из пеножидкостной фазы при интенсивном перемешивании расплава в газлифтном агрегате.
Проведение термической обработки углеродом оксида алюминия, расплавленного в солях галогеноводородных кислот, позволяет значительно снизить температуру плавления оксида алюминия с 2000°С до 1200°С и получить сравнительно низкоплавкие смеси.
Присутствие тригалогенида алюминия на стадии плавки оксида алюминия с углеродом в солях галогеноводородных кислот позволяет перевести алюминий в его субгалогенид уже на данной стадии, направляя затем последний в газовую фазу, а потом вывести металлический алюминий из зоны реакции, что исключает образование карбидов алюминия.
Ведение процесса в пенно-жидкостном слое с высокоразвитой поверхностью позволяет углероду более эффективно взаимодействовать с оксидом алюминия и получить больше металлического алюминия на выходе из процесса.
Проведенный заявителем анализ уровня техники по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных в заявленном способе переработки признаков, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение технического результата. Потому заявитель предполагает, что данное изобретения соответствует критерию "имеет изобретательский уровень".
На фиг.1 представлена принципиальная технологическая схема получения алюминия по предлагаемому способу.
При этом протекают химические реакции, описываемые общим уравнением
с последующим разложением субгалогенида алюминия при снижении температуры отходящих газов до тригалогенида алюминия и элементарного (металлического?) алюминия по реакции:
Тригалогенид алюминия, образующийся в процессе разложения субгалогенида алюминия по реакции 2, возвращается в технологический процесс на стадию обработки оксида алюминия углеродом по реакции 1. Таким образом, тригалогенид алюминия, не расходуясь в процессе обработки оксида алюминия углеродом при получении металлического (элементарного) алюминия, является, по сути, транспортирующим агентом.
Способ осуществляется следующим образом.
В газлифтную камеру в расплав подаются газы от предварительного сжигания незолообразующего топлива и газообразный фторид алюминия, за счет чего происходит прогрев расплава в газлифтной камере выше уровня перегородки, разделяющей газлифтную и загрузочную камеры, при этом расплав через эту перегородку сливается в загрузочную камеру, где происходит постоянная рециркуляция расплава вокруг перегородки. В газлифтной камере поток расплава восходящий, в загрузочной - нисходящий. Падающий с определенной скоростью поток расплава в загрузочной камере создает нисходящий затопленный поток расплава в объеме расплава загрузочной камеры. Причем скорость этого нисходящего потока в объеме расплава загрузочной камеры регулируется соотношением объема падающего через перегородку расплава и сечением загрузочной камеры в области расплава. В нисходящий поток шлакового расплава загружают шихту, состоящую из оксида алюминия и угля, не содержащего золообразующих примесей. При этом происходит плавление оксида алюминия и его частичное восстановление углеродом. Расплав оксида алюминия совместно с углеродом поступает в газлифтную камеру, где в пеножидкостном слое интенсивно протекает реакция восстановления алюминия углеродом с получением металлического алюминия, который взаимодействует с трифторидом алюминия с образованием легколетучего монофторида алюминия, удаляемого с газовой фазой. Отходящие газы охлаждают и выделяют из них металлический алюминий и трифторид алюминия, который вновь возвращают в технологический процесс. Проведение процесса получения алюминия из оксида алюминия путем его термической обработки углеродом в присутствии трифторида алюминия не требует расхода трифторида алюминия, так как последний служит в качестве транспортного реагента, регенерируемого при разложении монофторида алюминия при охлаждении отходящих газов. Процесс восстановления протекает без участия расплавов металлов, что исключает последующие операции по выделению алюминия из образующихся сплавов. При разложении монофторида алюминия получают металлический алюминий высокой чистоты.
На чертеже представлена принципиальная технологическая схема получения алюминия.
Углерод из бункера-дозатора 1, фтористый алюминий (криолит) из бункера-дозатора 2 и оксид алюминия из бункера-дозатора 3 подают в бункер-смеситель 4 для создания равномерной смеси продуктов с мольным соотношением 2:2:11 соответственно. Полученную смесь дозируют в нисходящий канал газлифтной печи 5. В газлифтной печи 5 циркулирует расплав криолита. Циркуляция криолита осуществляется за счет подачи через фурмы рабочего газа в восходящем канале (газлифте). Оксид алюминия и фтористый алюминий растворяются в нисходящем канале газлифтной печи в расплаве криолита с образованием однородного расплава. Углерод при этом за счет термического воздействия дополнительно размельчается и равномерно распределяется в расплаве. Ввиду высоких скоростей движения расплава в нисходящем канале выделения углерода в самостоятельную фазу за счет его всплытия не происходит.
Смесь расплава с углеродом поступает в подфурменную зону газлифтной печи 5 и далее обрабатывается кислородом из емкости 6 при определенном мольном соотношении кислорода к углероду. Причем большее соотношение снижает выход восстановленного алюминия, а меньшее соотношение приводит к образованию наряду с углекислым газом моноокиси углерода.
Газовая фаза из газлифтного реактора направляется в вихревой скруббер-холодильник 7, где охлаждается до температуры 1000-980°С. При этом происходит деструкция монофторида алюминия до трифторида алюминия и элементарного алюминия и отделение их от газового потока. Газовая фаза после отделения алюминия и его фторидных производных дополнительно обрабатывается кислородом с целью окисления моноокиси углерода в реакторе 8 и далее направляется в циклон-холодильник 9.
Пример.
174 кг трифторида алюминия из бункера-дозатора 2 смешивают с 204 кг оксида алюминия из бункера-дозатора 3 и 132 кг углерода из бункера-дозатора 1 в бункере-смесителе 4. Полученную усредненную смесь с расходом 510 кг/час равномерно дозируют в газлифтную печь 5 с циркулирующим расплавом криолита в нисходящий поток расплава. Одновременно через фурмы в газлифтный канал из емкости 6 подают газообразный кислород с расходом 510 нм3/час. При всем времени проведения процесса в газлифтном агрегате поддерживают температуру 1200-1300°С.
При охлаждении газового потока в вихревом скруббере-холодильнике 7 получают 173,6 кг трифторида алюминия и 107,2 кг алюминия. Выход трифторида алюминия составляет 99,8%, выход алюминия - 99,3%.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в металлургической промышленности для получения алюминия;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
- заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно получение алюминия из оксида алюминия при термической обработке углеродом расплава оксида алюминия в солях галоген водородных кислот в газлифтном агрегате исключает процесс карбидизации алюминия и промежуточное получение сплавов алюминия с тяжелыми металлами, а также исключает необходимость использования в технологическом процессе высоких температур и агрессивных расплавов
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
