专利名称：通过碳热还原氧化铝生产铝的办法与反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过碳热还原氧化铝生产铝的方法和通过碳热还原氧化铝生产铝的反应器。
背景技术：
在美国专利No.2974032(Grunert等)中公开了直接碳热还原氧化铝，且长期以来认为发生下述总反应(1)，或者分两步发生反应(2)；和(3)。
反应(2)在低于2000℃下发生。反应(3)是生产铝的反应，它在略高的温度2200℃和更高温度下发生；反应速度随温度增加而增加。除了在反应(2)和(3)中所述的物质以外，在反应(2)和(3)中还形成挥发性物质，其中包括气体Al、气体低氧化铝(Al2O)和CO，并随废气一起带出。如果不回收，这些挥发性物质将造成铝的产率的损失。反应(2)和(3)都是吸热的。
美国专利No.6440193涉及碳热生产铝的这样一种方法，其中在低温隔室内产生碳化铝以及熔融氧化铝。碳化铝和氧化铝的熔融浴从低温隔室流动到高温隔室内，在此碳化铝(Al4C3)与氧化铝(Al2O3)反应，产生铝。在高温隔室内，铝在熔融炉渣层之上形成一层并被从高温隔室中引出。来自低温隔室和来自高温隔室的废气(其含有Al蒸汽和挥发性低氧化铝(Al2O))反应，形成Al4C3。低温隔室和高温隔室位于共同的反应容器内，其中低温隔室通过底流隔板与高温隔室隔开。在低温隔室内产生的含有碳化铝和氧化铝的熔融浴在隔板下方连续流动并借助重力流动流入高温隔室内，其中通过从高温隔室中引出铝来调节所述重力流动。通过独立的能量供应系统来提供维持低温隔室和高温隔室内的温度所需的能量。
在第二步，反应(3)中，需要过量碳以促进生产铝。为了维持高温隔室内充足的碳含量，需要添加额外的碳到高温隔室内。根据美国专利No.6440193，通过在高温隔室的顶部安装的供应装置添加额外的碳，于是要求额外的碳流经高温隔室内顶层的熔融铝并进入高温隔室内的熔融浴中。
发明概述已发现，添加碳材料到顶层的熔融铝中可引起铝的逆反应以及碳在高温反应区内分布不均匀。为了克服这一问题，已发现，额外的碳材料应当直接加入到炉渣层内和上部铝层的下方，从而在高温隔室内在铝的形成过程中保持矿渣层的组成更均匀。进一步发现，在高温隔室内，额外的碳材料应当尽可能均匀分布在矿渣层内。最后，已发现应当以可控的方式添加额外的碳材料。
为了利用这些发现，发明了一种方法和一种反应器。具体地说，本发明的方法包括当矿渣在隔板下方从低温隔室流动到高温隔室中时，添加额外的碳材料到矿渣中。本发明的反应器包括当矿渣在隔板下方从低温隔室流动到高温隔室中时，供应额外的碳材料到矿渣内的装置。
在本发明的一个优选实施方案中，供应额外的碳材料到矿渣层的装置是在隔板下部的开孔。更具体地说，隔板是中空的，在底部具有开孔，其中当矿渣从反应器的低温隔室流动到高温隔室中时，该开孔允许额外的碳材料流出隔板底部并进入矿渣底流内。使用输送装置，如螺杆或压头或螺杆与压头的组合，使额外的碳移动经过隔板。优选地，中空的隔板可垂直移动，以便改变开孔在矿渣底流内的高度。
通过在隔板处添加额外的碳材料到矿渣的底流中，将额外的碳材料直接加入到上部铝层水平下方的矿渣内，并且所添加的碳材料的量可在高温隔室内均匀地分布在整个矿渣中。由于隔板可垂直移动，因此可改变额外碳材料的添加点。通常只在熔炉不处于操作状态时调节隔板的垂直位置。此外，可通过输送装置使额外的碳材料移动穿过隔板的速度来控制加入到矿渣内的碳量。
优选地，在隔板内的中空区域和开孔扩展到整个隔板上。另外，中空区域也可被分成一系列通道或者分成垂直取向的导管。每一导管在隔板底部具有开孔以将额外的碳材料向下导引并将额外的碳材料供入到矿渣的底流内。
广义地说，本发明是供应额外的碳材料到碳热生产铝用反应器中的方法，其中该反应器通过中空的底流隔板分成低温隔室和高温隔室。含碳化铝和氧化铝的熔融浴或矿渣在低温隔室中产生。碳化铝和氧化铝的熔融浴在中空的底流隔板下方流动到高温隔室内，在此碳化铝与氧化铝反应产生铝，所述铝在熔融矿渣底层之上形成一层，并且铝被从该高温隔室中引出。将额外的碳材料经过中空的底流隔板内的至少一个开孔供应到碳化铝和氧化铝的熔融浴中，所述开孔位于高温隔室内的熔融铝层以下的水平。换句话说，当矿渣在隔板下流动时，该开孔位于隔板内矿渣的水平。
本发明的反应器是用于碳热生产铝的反应器，所述反应器包括含低温反应隔室和高温反应隔室的反应容器。低温隔室具有供应材料到所述隔室的装置和供应电操作电流到所述隔室的一个或多个电极，所述一个或多个电极以浸没方式位于在低温隔室中产生的熔融浴内。高温反应隔室借助中空的隔板与低温隔室隔开。中空的隔板在熔融浴的底流内具有至少一个开孔，所述开孔允许熔融浴从低温反应隔室底流到高温隔室中。多对基本上水平排列的电极在反应容器的高温隔室的侧壁内排列以将电流供应到所述隔室。高温隔室具有用于连续引出熔融铝的出口。在低温隔室内产生的熔融浴通过重力流动流入到高温隔室内，所述重力流动受到在高温隔室内引出顶部铝层的影响。在隔板内的至少一个开孔位于高温隔室内的熔融铝层以下的水平。
根据本发明，额外的碳材料可呈焦炭、煤、成团的碳粉形式或任何其它形式。此外，额外的碳材料可呈Al4C3形式，为了降低在高温隔室内产生的CO气体量，并且为了来自与高温和低温隔室相连的废气反应器的Al4C3的再循环，因此额外的碳材料优选Al4C3。最后，从反应器中引出的所生产的铝中滤出的Al4C3也可用作额外的碳材料形式。
附图简述参考附图，可更充分地理解本发明的这些和其它方面，其中
图1是本发明的反应器容器的一个优选实施方案的截面图；图2是中空隔板的截面图；图3是沿着线3-3所取的图2的中空隔板的顶视图；图4是在其内具有多根导管的隔板的顶视图；和图5是沿着线5-5所取的图4的隔板的侧视图。
发明详述图1示出了通过中空的底流隔板4分成低温隔室2和高温隔室3的通常为矩形的气密反应容器1，其中所述中空的底流隔板4允许熔融浴从低温隔室2流动到高温隔室3，并且当熔融浴在隔板4以下经过时，添加额外的碳材料到熔融浴流中。在与低温隔室2相对的高温隔室3的一端，配置出口5以供引出或取出熔融铝层31。熔融浴借助重力从低温隔室2流动到高温隔室3。通过在出口5处引出铝31来影响并调节该流动。当铝从高温隔室中引出时，相应量的熔融浴在隔板下方从低温隔室流动到高温隔室中。两个隔室不是通过独立的导管相连。
在低温隔室2内配置多个电极6，通常是2-4个，这些电极延伸穿过反应容器1的顶部。在反应容器1的操作过程中，电极6穿过该浴并浸入低温隔室2内的熔融浴中，以便通过电阻加热来供应能量。电极6可具有供应电流的常规装置(未示出)和调节电极6的常规装置(未示出)。电极6优选是消耗性的石墨电极，但也可使用适合于这种用途的任何其它材料。
在高温隔室3内，沿着反应容器1的侧壁配置了多对电极7。在图1中，用圆形示出了侧视的电极，因为它们从一个器壁处突出并且因此仅仅示出了每一组的一个电极。电极7可以是消耗性的石墨电极，或者是非消耗性的惰性电极。每一对电极7独立地供以电流。通过在反应容器1的侧壁内使用多对电极7，在高温隔室3的熔融浴内达到均匀的温度。正如所示的，电极7不穿过该浴的顶部并位于铝层31水平的下方，从而提供前面所述的优点。在低温隔室2的顶部，配置了供应来自料斗34的氧化铝32并供应含碳还原材料36到低温隔室2的供应装置8。供应装置8优选是气密性的，以便可在没有使反应器的废气经供应装置8溢出的情况下供应原材料。
在低温隔室2的顶部上方还配置第一排气管9。排气管9可通到反应器10中以回收Al4C3。
在高温隔室3的顶部上方配置第二排气管19，排气管19与在低温隔室2上方的顶部上配置的排气管9相同。来自高温隔室3的废气可通到另一反应器10中以回收Al4C3。流经排气管9和19的气体也可均流经同一反应器10。
中空隔板4具有布置在顶部的料斗30，以容纳额外的碳材料并将额外的碳材料向下经中空隔板4供入到底流熔融浴内。从反应器10中回收的Al4C3优选被再循环到料斗30中以用作额外的碳材料。料斗30和中空隔板4优选是气密性的，以便可在反应器的废气没有溢出的情况下将额外的原材料供应到反应器中。
图2示出了中空隔板4′的一个优选实施方案的截面图，而图3示出了沿着图2的线III-III所取的隔板的顶视图。隔板4′包括侧面4′a和4′b和空间4′c以容纳碳材料并安放螺杆4′d，以将额外的碳材料向下输送经过空间4′c和在隔板4′底部的外部开孔4′e。优选地，在隔板4′外部提供冷却系统4′f。冷却系统4′f是以常规方式操作的常规冷却系统。使用齿条齿轮系统4′g垂直移动隔板4′。通过移动隔板4′，开孔4′e的水平进行变化，从而可以控制添加额外的碳材料到底流矿渣内的添加高度。螺杆4′d操作时的速度控制经开孔4′e喂入的额外的碳材料的用量。
齿条齿轮系统4′g是以常规方式操作的常规系统，以便移动隔板4′并调节额外的碳材料喂入到矿渣内的高度。
冷却系统4′f还辅助导引隔板4′的移动。
图4和5示出了另一实施方案，其中中空区域已分成多根导管。这种导管也可被看作是环形空间或者中空的。隔板4″具有空间4″c和位于其内的螺杆4″d，以将碳材料向下经空间4″c供入到底流矿渣内。通过螺杆4″d在空间4″c内转动时的速度来控制加入到底流矿渣内的额外碳材料的量。速度越快，加入到底流矿渣内的额外的碳材料越多。额外的碳材料经开孔4″e排出隔板4″。还在隔板4″上提供冷却/保护层4″f。
螺杆4′c和4″c是以常规方式操作的常规系统，以便向下移动固体的粒状额外碳材料分别经过空间4′c、4″c和外部开孔4′e和4″e。优选地，转动螺杆4′c和4″c所使用的电动机是可变的，以便提供速度的变化以及加入到底流矿渣内的额外碳材料的量的控制。
现结合图1描述提供用于实施本发明方法的实施例的一个优选实施方案。氧化铝和碳的原料通过供应装置8供应到低温隔室2中。通过电极6供应电能，以提供并维持氧化铝和Al4C3的熔融矿渣浴在约2000℃的温度下。电极6浸入熔融矿渣浴内，于是能量通过电阻加热转移到熔融矿渣浴中。来自低温隔室2的废气(其通常含有CO、Al2O和一些Al蒸汽)通过废气导管引出并进入到废气排出管9的下部。在反应器10中回收的Al4C3优选经料斗30和中空隔板4再循环到反应器中。
在低温隔室2中生产的由碳化铝和氧化铝组成的熔融矿渣在中空隔板4下方连续流动并进入到高温隔室3内。来自料斗30的额外的碳材料向下流经中空隔板4并进入到在隔板4下方流动的熔融矿渣内。
如图2-5所示，旋转螺杆4′d、4″d以将额外的碳材料分别输送经过隔板4′、4″和外部开孔4′e、4″e。使用齿条齿轮系统4′g以提高和降低隔板4′，从而改变开孔4′e在矿渣内的高度。改变螺杆4′d、4″d的速度，以控制从料斗30向下流动并进入到底流矿渣内的额外碳材料的量。
在高温隔室3内，通过供应电流到多个侧壁电极7上，使熔融矿渣的温度增加到2100℃或更高，其中所述侧壁电极7通过电阻加热来加热矿渣浴。非常重要的是，通过使用在熔融铝层31下方而不是穿过熔融铝层31的沿着高温隔室3的侧壁配置的多对电极7，可沿着高温隔室3的长度方向控制矿渣浴内的温度，并减少或避免局部过热。如隔室2内的箭头38所示，该方法涉及的是熔融矿渣基本上水平流入到高温隔室3内，而不需要独立的加热导管或使用气体引起矿渣流动。
通过维持高温隔室3内的矿渣浴的温度在高于约2100℃的温度下，碳化铝将与氧化铝反应，产生Al和CO气体。额外的碳将替换在Al的生产反应过程中消耗的碳。由于高温，一定量所产生的Al与Al2O一起蒸发并与废气一起离开熔炉。在高温隔室3内产生的液体Al由于其密度低而在熔融矿渣底层之上形成熔融层31，并通过溢流出口5将其引出熔炉。不需要将剩余的矿渣通过独立的导管再循环回到低温隔室2内，从而节约大量成本并简化工艺。在碳化铝和氧化铝的反应过程中，在高温隔室内的熔融矿渣浴将是贫含碳的。因此将额外的碳材料通过中空的隔板4供应到高温隔室3内。除了碳材料以外，还可将固体氧化铝通过中空的隔板4引入到高温隔室3内。
在高温隔室3内生产的铝将用熔融碳化铝饱和。在高温隔室3内的过热铝通过溢流/底流出口5连续引出并可通到下游操作中。然后优选通过在冷却容器44内添加铝碎片来冷却铝到高于铝的熔点的温度，形成流体40。当铝冷却时，溶解在铝内的大部分碳化铝将以固体碳化铝46的形式沉淀，并可在纯化容器48内从冷却的熔融铝中撇去。容器44和48可被组合。可通过常规方式，例如通过使流体49流过过滤器52，来除去残留的碳化铝50。在引出之后从铝中除去的碳化铝优选再循环到低温隔室2和/或中空隔板4中。冷却容器、纯化容器和过滤器可以是实施其功能可用的任何类型。
纯化的铝流54然后可通到任何数目的装置中，如脱气装置56，例如除去H2；助熔(fluxing)装置58，以便从熔体中清除氧化物并最终通到铸造装置60中，以提供非合金的初级型材，如约50lb.(22.7kg)到约750lb.(341kg)的锭块62等。这些锭块然后可再熔化以供在保温炉或共混炉内最终的合金化，或者可将来自助熔装置的熔体直接通到熔炉中以供最终的合金化并铸造为合金铝型材。诸如Cu、Fe、Si、Mg、Ni、Cr等元素可作为富合金锭块如82％Al/18％Cu加入到共混熔炉中，这是因为以纯的形式添加可能是不可行的。这些操作是公知的且例如公开于Aluminum，Vol.III，Ed.Kent R.VanHorn，Amer.Soc.of Metals(1967)，p.18-36中，在此引入以供参考。
可通过传感器70，或者通过测量矿渣的电阻，来测量在高温隔室3内矿渣层中碳的含量和位置。这有助于确定所存在的碳含量和碳是否均匀地分布在矿渣层内。传感器70是以常规方式操作的常规传感器。
传感器70连通螺杆电动机72和齿条齿轮系统4′g，以控制添加的碳材料的量以及在矿渣层中添加碳材料的高度。独立地控制每个螺杆输送机4′d、4″d的单独发电机，以控制在第三维方向上碳材料的添加。尤其是，如果沿着熔炉侧面需要额外的碳材料的话，则仅仅操作在隔板4′、4″端部的螺杆4′d、4″d，同时停止在隔板4′、4″中间处的螺杆4′d、4″d。要理解，每个螺杆4′d、4″d的独立控制加上齿条齿轮系统4′g可以实现碳材料经隔板4′、4″添加的三维控制。
要理解，权利要求旨在覆盖此处为阐述目的而选择的本发明优选实施方案的所有变化和改进，这些变化和改进并不背离本发明的精神和范围。
在描述了目前优选的实施方案之后，应当理解的是，可在所附权利要求的范围内体现本发明。
权利要求
1.一种碳热生产铝的方法，其中在低温隔室内生产含碳化铝的熔融浴，所述熔融浴流动到高温隔室内，在此碳化铝与氧化铝反应产生铝，所述铝在熔融矿渣之上形成一层；其中低温隔室和高温隔室位于共同的反应容器内，并且低温隔室通过在隔板内具有开孔的中空的底流隔板与高温隔室隔开；在低温隔室内产生的熔融浴在隔板下方连续流动并进入高温隔室内，并且其中将额外的碳材料通过中空隔板内的开孔供应到隔板下方的流体内。
2.权利要求1的方法，其中中空的隔板可垂直移动。
3.权利要求1的方法，其中可通过控制供应碳材料到隔板下方流体内的输送装置的移动速度来改变加入到矿渣内的额外的碳材料的量。
4.权利要求1的方法，其中来自低温隔室和高温隔室的废气进行反应，形成Al4C3，并将Al4C3供入到隔板下方的流体内。
5.权利要求3的方法，其中测量在高温隔室内的矿渣中的碳含量并反馈回到输送装置中。
6.权利要求1的方法，进一步包括检测高温隔室内矿渣中的碳含量并相应地改变通过隔板添加的碳材料的量。
7.权利要求1的方法，其中所引出的铝含有碳化铝，并且其中碳化铝被沉淀并使纯化的铝合金化，然后铸造成合金化的铝型材，所述碳化铝作为额外的碳材料被供入到隔板下方的流体内。
8.权利要求1的方法，其中所引出的铝含有碳化铝，并且其中冷却所述引出的铝，以沉淀碳化铝，接着过滤、脱气，然后在锭块铸造机内铸造形成铝型材，所述沉淀的碳化铝作为额外的碳材料被供入到隔板下方的流体内。
9.一种碳热生产铝的反应器，它包括一个反应容器，所述反应容器包括低温反应隔室，所述低温反应隔室具有供应材料到所述隔室内的装置和供应电操作电流到所述隔室内的一个或多个电极，所述一个或多个电极以浸没方式位于在低温隔室中的熔融浴内；借助中空的隔板与低温隔室隔开的高温隔室，所述中空的隔板允许熔融浴从低温反应隔室底流到高温隔室中，所述隔板具有开孔和将额外的碳材料经中空隔板内的开孔供应到底流中的输送装置；在反应容器的高温隔室的侧壁中配置的将电流供应到所述隔室内的电极；将材料注入高温隔室内的装置；和从高温隔室中连续引出熔融铝的出口。
10.权利要求9的反应器，其中反应容器具有基本上矩形的形状，并且其中隔板可垂直移动。
11.权利要求9的反应器，其中输送装置是可变的，以控制额外的碳材料供应到底流中的速度。
12.权利要求9的反应器，进一步包括用以检测高温隔室内的碳含量的传感器。
13.权利要求9的反应器，其中一个或多个废气反应器与产生Al4C3的反应器隔室相连，并且使用料斗供应碳材料到中空的隔板中。
14.权利要求13的反应器，进一步包括将在所述废气反应器内产生的Al4C3供应到料斗中的装置。
15.权利要求9的反应器，其中输送装置包括至少一个螺杆。
16.权利要求9的反应器，其中中空的隔板确定多个空间，其中每个空间具有独立的输送装置。
17.在通过碳热还原氧化铝生产铝的反应器中，其中所述反应器具有一个单一反应器，该单一反应器具有两个隔室，即高温反应隔室和低温反应隔室，以及底流隔板，所述底流隔板隔开两个隔室，其中矿渣在隔板下方从低温隔室流动到高温隔室中，其改进包括通过底流隔板将额外的碳材料供应到从低温隔室流动到高温隔室中的矿渣内的供应装置。
18.权利要求17的反应器，其中所述供应装置包括在所述隔板内的中空区域和在所述隔板内的一个或多个开孔，所述一个或多个开孔在所述隔板的下部，以连接所述中空区域与所述流体。
19.权利要求17的方法，其中所述供应装置包括位于所述隔板内的一根或多根导管，每根导管具有在所述隔板下部的开孔，所述开孔连接所述导管与所述流体。
20.权利要求17的反应器，其中料斗连通所述供应装置，以向所述供应装置提供所述额外的碳材料。
全文摘要
使用中空隔板(4)将碳材料供应到生产铝所使用的碳热还原炉的底流中。隔板(4)隔开低温反应区(2)和高温反应区(3)，其中在所述低温反应区(2)内，氧化铝与碳反应形成碳化铝，而在所述高温反应区(3)内，碳化铝和残留的氧化铝反应形成铝和一氧化碳。
文档编号C22B5/00GK1756852SQ200480006134
公开日2006年4月5日 申请日期2004年2月13日 优先权日2003年3月6日
发明者J·A·奥内, K·约翰森 申请人:阿尔科公司, 埃尔凯姆公司