专利名称：使用具有炉内温度控制的单一炉碳热还原的方法
技术领域：
本发明涉及在单一反应器室碳热炉中生产低碳铝的方法，该炉可控制以降低或升高反应器室内部的反应物温度。
背景技术：
美国专利说明书2,974,032(Grunert等人)和6,440,193B1(Johansen等人)以及Proceedings 6thConference onMolten Slags，Fluxes 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中已经描述了氧化铝的直接碳热还原。长久以来已认识到发生如下总反应Al2O3+3C＝2Al+3CO(1)或通常可以分步进行，例如2Al2O3+9C＝Al4C3+6CO(蒸气)(2)Al4C3+Al2O3＝6Al+3CO(蒸气)(3)Al2O3+2C＝Al2O(蒸气)+2CO(蒸气)(4)Al2O3+4Al＝3Al2O(蒸气)(5)，和Al＝Al(蒸气)(6)反应(2)发生在低于2000℃且通常为1900-2000℃的温度下。重要的是，作为铝产生反应的反应(3)发生在约2050℃的更高温度下，并需要大量的热量输入。非常重要的是，除反应(2)和(3)中提到的物质外，挥发性物质包括反应(6)中的气态Al和反应(4)或(5)中形成的气态低价氧化铝Al2O。在总的碳热还原过程中，通过在通常被称为蒸气回收单元或蒸气回收反应器的独立反应器中使它们与碳反应来回收Al2O和Al气体。
涉及碳热还原以生产铝的其它专利包括美国专利说明书4,099,959(Dewing等人)，其中描述了双反应区，并使废气经过颗粒状碳材料并逆流(countercurrent)到气体洗涤塔中的新煤或“生”焦炭。美国专利说明书4,033,757和4,388,107(均为Kibby)教导了通过加热熔体表面到约2100℃同时在炉渣中保持约1850℃的较低温度来减少碳含量，由此降低金属中的C(碳)。然而该方法似乎难于操作，并可能引起过量的蒸发。前一Kibby‘757专利在于1850-1950℃开始的工艺中使用电弧加热和等离子流，然后电弧加热到2100℃，产生具有＜10重量％C的Al。后一Kibby‘107利用二级炉或独立的脱碳区，其需要将非常热的金属和炉渣转移到炉中和从炉中转移出。
本领域中的其它技术包括例如美国专利说明书4,334,917和4,533,386(均为Kibby)，它们教导使用多个反应器或附加的脱碳区。于2003年8月23日提交的US10/646,507(J.Aune等人，-案号03-0668)教导了用于单反应器室碳热炉的电极配置，其中彼此连接的代替底衬作为电接触的侧壁电极，与竖直电极都浸入液体炉渣中。
在碳热过程中，双反应区或多个炉的使用增加了工艺的费用和不必要的复杂性。需要的是有效且简单的回收含有较低碳的铝的方法。因此，本发明的主要目标之一是通过使用具有反应器室温度控制的单一反应器室碳热炉，提供成本和能量更有效的改良铝生产方法。
发明概述通过提供使用单一碳热反应器以生产具有低碳含量铝的方法满足了上述需要并解决了上述问题，该方法包括(a)提供具有单一中空的内部反应器室并具有多个底部电阻加热电极和一个或多个可选的竖直顶部电极的单一炉；然后(b)向炉内添加用于起动工艺的Al2O3和C并熔融它们的混合物，以提供温度为约1875-2000℃的(Al2O3-Al4C3)炉渣和过量的Al4C3；然后(c)向炉渣中添加Al4C3，并升高炉温以形成温度约2050-2100℃的具有约6-7重量％C的顶部Al相和底部炉渣相；然后(d)向A1-C/炉渣中添加Al2O3，该Al2O3添加导致产生富Al2O3的炉渣并导致温度降低到约1800-1900℃，以便在单一反应器室中产生脱碳反应，提供温度为约1800-1900℃的具有少于(＜)5重量％C的顶部Al相和底部(富Al2O3-Al4C3)炉渣；然后(e)排出顶部的＜5重量％C的Al相；和(f)重复步骤(b)-(e)。然后使用该炉渣开始下一循环。通过向底部炉渣添加一些C和Al2O3开始下一循环并重复步骤(c)-(e)。排出的铝相优选是＜3重量％C的Al并且在步骤(c)中添加的Al4C3来自与反应器连接的蒸气回收单元。
在步骤(b)中，优选使用利用可伸缩的至少一个竖直顶部电极的电弧加热以提供炉渣。在步骤(d)中，非常重要的是，在该阶段添加Al2O3降低炉内温度并通过将大量的C从铝中转移到炉渣中来改变炉渣的组成。这提供了非常简单的方法来生产较低碳含量的铝，其中在工艺中仅使用一个炉或反应器。
附图简述参考附加的非限制性附图进一步描述本发明，其中
图1是显示用于铝生产的碳热还原方法的现有概念化系统的一个实例的流程图，该系统包括废气蒸气回收反应器以便将Al2O和Al蒸气回收为Al4C3和/或Al2O3固体(和Al4C3-Al2O3炉渣)；和图2是显示利用单一反应器生产低碳铝的本发明中涉及的步骤的流程图。
优选实施方案详述图1是碳热反应方法一个实施方案的简化图解，该方法生产Al并将废气中的Al、Al2O和CO回收为Al4C3、Al2O3和炉渣，并将这些材料送入熔炼炉中。在图1中，虚线显示气流而实线显示固体和熔融物质流。
在图1中，为简单起见，将来自碳热熔炼炉(包括第一阶段1和可能的第二阶段2)的废气，通过管道3和4送到在约1600-2050℃(取决于反应器类型)温度下操作的封闭废气反应器5中。可以存在多于一个的这种反应器，例如一个对于阶段1的熔炉1而一个对于阶段2的熔炉2。反应器5可以是逆流移动床反应器或流化床或一系列流化床。进入反应器5的废气中的Al组分与碳反应形成Al4C3、Al2O3和Al4C3-Al2O3炉渣材料。可以使用管道6运送这些材料到阶段2。
来自反应器5的气体主要含CO、和可能的来自炭(charcoal)反应器炉料的挥发部分的一些H2，且几乎没有或没有Al或Al2O。来自反应器5的废气由于热的CO因而具有高的能量值，并且可用于在燃气轮机或常规锅炉中生产电能。铝蒸气物质将反应为碳化物，冷凝为Al2O3和C或形成Al2O3-Al4C3炉渣。将Al4C3-Al2O3炉渣和未反应的碳通过管道6送入碳热熔炉的第二阶段。如图1所示Al-C液体合金离开熔炉阶段2，其中图1中(s)表示固体，(v)表示蒸气而(liq)表示液体。
图2说明了本发明方法中的基本步骤、反应和反应物。该新方法使用单一炉，因此无需炉渣再循环，并对炉渣进行电阻加热以避免过量的蒸发。在该方法的第一步骤中，添加Al2O3和碳，产生可能含有高于饱和值的过量Al4C3的Al2O3-Al4C3炉渣。在约1875-2000℃温度下操作该炉以产生炉渣。第二步骤在约2050-2100℃下产生Al-6-8重量％C的合金，并需要附加能量和附加的Al4C3，部分Al4C3是第一步骤产生的过量部分而剩余部分来自蒸气回收单元。接下来，向炉中添加室温Al2O3，产生富Al2O3的炉渣，并且温度降至约1850℃。这将碳除去到富氧化铝的Al2O3-Al4C3炉渣中。这将除去约65重量％的碳，即铝中的碳将从6重量％降到2重量％。整个方法简单很多，因为该方法不是多阶段反应器并且无需热液体炉渣的转移。
在图2的第一步骤10中，产生炉渣。在第二步骤20中，在炉渣相22的顶部产生具有约5-7重量％C的金属21，并释放出气体(为了简化未显示)。在第三步骤30中，在降低的温度下提供提取(extraction)或脱碳反应以减少蒸气损失，其中添加的Al2O3为环境温度(约20-约35℃)，且重要的是，有助于显著降低温度和提供步骤40中的富氧化铝的炉渣。这里，将C从Al相中转移出以提供含有少于(＜)5重量％C相的铝相，优选a＜3重量％C的相23，然后将其排出。在一定程度上可合并步骤30和40。
总之，在该工艺中，我们有
炉渣制备为了起动该工艺，添加Al2O3和碳以便在约1900-2000℃下制备液体炉渣，77Al2O3-23％Al4C3(摩尔百分比)和一些过量的Al4C3。一些Al2O和Al蒸气形成并进入蒸气回收反应器5。一旦该工艺处于稳定状态，炉渣制备的起点是在前循环中脱碳后剩余的炉渣。
金属制备通过下面的反应在约2050-2100℃生产金属Al2O3+Al4C3＝6Al+3CO添加来自蒸气回收反应器5的碳化铝。约17％的Al将以Al2O和Al形式蒸发。不可能使所有的炉渣反应，因为通过穿越炉渣的炉渣电阻加热提供能量，因而必须在炉中保留一些炉渣。约20％炉渣不发生反应，从而保留用于电阻加热。可以通过在添加所有碳化物后升高温度和通过减少炉渣中的碳化物含量和金属中的碳来进行一些脱碳，但这将导致大量Al2O和Al蒸发。
脱碳向炉中添加Al2O3以便从金属中除去碳。一些电能是必须的以便加热和熔融Al2O3，然而一些能量来自炉渣的显热因为炉渣温度高于脱碳所需温度。允许炉渣-金属体系冷却到约1850℃。炉渣变得富Al2O3并且碳从金属中转移到炉渣(Al4C3)中。排出金属，且得到的富Al2O3液体炉渣是返回炉渣制备的起点。
排出金属后，温度升高到约1900-2000℃，并再次添加Al2O3和碳，以产生所需液体炉渣组成和过量Al4C3用于金属制备。在该工艺中，产生携带Al的大量CO，其中该Al为Al和Al2O的气态物质形式。这些物质在蒸气回收反应器5中转变为Al4C3并在金属制备过程中返回炉中，所有这些如图2所示。
通常，本发明在步骤10中仅使用单一炉11，如图2所示，该炉具有侧壁和底部，及单一、中空的反应器室13；没有内部底流隔离壁/挡板等。该炉可以具有基本为矩形、正方形、圆形或椭圆的形状。炉侧壁内是底部电阻加热电极16，优选位于所示反应器的一个或多个侧部中。在步骤10中，优选使用至少一个顶部竖直可伸缩外部电极12。该电极可以在起动或稳定状态提供电弧以便将加入的固体Al2O3和C熔化以产生熔融炉渣相Al2O3-Al4C3炉渣和附加的Al4C3。
电极12和16可以由碳、石墨或非自耗的惰性陶瓷材料制成，其中通过电流装置19分别为每个电极供电。底部电阻加热电极优选为水平，并用于金属制备中以减少过度加热金属和引起过量蒸发。底部电极16也优选位于底部相熔融炉渣相/水平22处/附近，如步骤20、30和40所示。在步骤10和20中，Al2O、蒸气、CO和Al作为气流3和3′排出。步骤10-30中的Al2O3、C、Al4C3供应装置优选是气密性。然后可以将纯化的铝流26通到任何数目的设备中，例如去除例如H2的除气设备，从熔体中除去氧化物的造渣(fluxing)设备，最后到铸造设备以提供未合金化的初始型材例如约50磅(22.7Kg)-750磅(341Kg)的铸锭等。然后可在保温炉或混合炉中再次熔融这些铸锭以最终合金化，或可以将熔体从造渣设备直接通到用于最终合金化的炉中并铸造为合金化的铝型材(shape)。
尽管上文出于说明目的，已经描述了本发明的特定实施方案，然而本领域的技术人员清楚，可以在不背离由附加权利要求限定的发明的情况下，对本发明的细节做出许多变化。
该工艺如何工作的实施例以金属制备阶段开始，100摩尔77％Al2O3-23％Al4C3炉渣。当温度升高时，反应(3)发生。向炉渣中添加Al4C3以维持炉渣组成。反应进行直到炉中剩余有15摩尔Al2O3和5摩尔碳化物。该工艺将产生372摩尔Al但62摩尔将蒸发，剩余310摩尔是含约7.5重量％C的液体Al。
蒸发的Al将产生约15摩尔的碳化物。在炉渣制备过程中，蒸发足够的Al以产生10摩尔碳化物。在金属制备步骤中需要总共62摩尔的碳化物。28摩尔碳化物反应自炉渣而约25摩尔来自蒸气回收反应器(“VRR”)，其中缺少约9摩尔Al4C3。可以在炉渣制备中产生这额外的碳化物，因此实际的起点是含有77％Al2O3-23％Al4C3的100k摩尔炉渣和9k摩尔Al4C3。由VRR添加约25k摩尔Al4C3。
对于金属制备，将炉渣+Al4C3加热到较高温度(2050-2100℃)产生310k摩尔含约7.5重量％C的铝金属。剩余约20k摩尔炉渣用于电阻加热。
对于脱碳，添加75k摩尔Al2O3制得最终的炉渣90k摩尔Al2O3和12摩尔Al4C3。降低温度到约1850℃。在该较低温度下，炉渣和金属间的碳分配比例增加。金属的碳含量从约6.0重量％减少到2.5重量％。这是基于炉渣和金属之间的碳分配比例为2和8904kg金属和9900kg炉渣。将金属排出，剩余的炉渣90k摩尔Al2O3-12k摩尔Al4C3是炉渣制备的起点。
将金属排出之后，将温度提高到约2000℃，并添加Al2O3和碳以便产生所需的液体炉渣组成和过量的Al4C3用于金属制备。这将需要约225k摩尔的C和37k摩尔的Al2O3。在制备炉渣后，重复金属制备步骤。
已经描述了目前优选的实施方案，应理解的是，在附属权利要求的范围内能够以另外方式实施本发明。
权利要求
1.使用单一碳热反应器生产低碳含量铝的方法，该方法包括(a)提供具有单一中空的内部反应器室并在炉壁中具有多个底部电阻加热电极和一个或多个可选的竖直电极的单一炉；(b)向炉内添加用于起动工艺的Al2O3和C并熔融它们的混合物，以提供温度约1875-2000℃的(Al2O3-Al4C3)和过量的Al4C3炉渣；(c)向炉渣中添加Al4C3，并升高炉温以形成温度约为2050℃-2100℃的具有约6-8重量％C的顶部Al相和底部炉渣相；(d)向Al-C/炉渣中添加Al2O3，该Al2O3添加导致产生富Al2O3的炉渣并导致温度降低到约1800-1900℃，以便在单一反应器室中发生脱碳反应，提供温度为约1800-1900℃的具有少于＜5重量％C的顶部Al相和底部(富Al2O3-Al4C3)炉渣；(e)排出顶部的＜5重量％C的Al相；和(f)重复步骤(b)-(e)。
2.权利要求1的方法，其中使用至少一个竖直顶部电极在步骤(b)中提供电弧加热。
3.权利要求1的方法，其中在步骤(d)中，Al2O3的添加改变炉渣组成，将C从Al中转移到炉渣中，并且其中在步骤(d)中，顶部Al相具有＜3重量％C，在步骤(e)中将其排出。
4.权利要求1的方法，其中将来自步骤(b)和步骤(c)Al产生的包含Al2O、CO的废气送入反应器以产生步骤(c)中添加到炉渣中的Al4C3和Al2O3或Al4C3-Al2O3炉渣。
5.权利要求1的方法，其中步骤(d)中的顶部Al相具有＜3重量％C，在步骤(e)中将其排出。
6.权利要求1的方法，其中在步骤(e)后，将温度升高到约1875℃-2000℃，并添加Al2O3和C以便开始步骤(a)。
7.权利要求1的方法，其中在步骤(d)中，在脱碳过程中将C从Al相中转移到炉渣中。
8.权利要求1的方法，其中将Al2O、CO和气态Al通到废气反应器，其中添加C以产生固体Al4C3和Al2O3和Al4C3-Al2O3炉渣，将其返回到炉中。
9.权利要求8的方法，其中在步骤(c)期间将Al4C3返回。
10.权利要求1的方法，其中底部电阻加热电极位于靠近底部炉渣相的炉侧部中，且该电极的材料选自碳、石墨或包括陶瓷的非自耗惰性阳极材料。
11.权利要求1的方法，其中使用来自步骤(d)的炉渣连同附加的Al2O3和C作为下一循环的起始材料。
全文摘要
使用具有单一中空反应器室并在反应器侧部中具有底部电阻加热电极(16)(13)的单一碳热反应器/炉(11)制备铝的起动工艺，包括添加Al
文档编号C22B21/00GK101023190SQ200580031452
公开日2007年8月22日 申请日期2005年9月1日 优先权日2004年9月1日
发明者R·J·弗鲁汗 申请人:美铝公司, 埃尔凯姆公司