СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ ИЗ ВОЗДУШНОЙ ВЗВЕСИ ГЛИНЯНЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OBTAINING METALLIC ALUMINIUM FROM AIR SUSPENSION OF CLAY PARTICLES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к цветной металлургии, а именно к технологии получения первичного алюминия из содержащего глину сырья и к используемым для ее осуществления устройствам.
Известен способ получения первичного алюминия, который выполняется с применением электролиза, полученного на основе глинозема расплава криолита. Протекающая реакция восстановления глинозема углеродом, вводимого в состав последнего, повышает КПД процесса, увеличивая выход осаждаемого на катоде металла (см. книгу Фореблом Г.Ф. «Электролиз алюминия», Москва: «Металлургия», 1967 год; стр.22-28).
Одному этому известному способу присущи следующие недостатки.
Поддержание высоких температур в расплаве криолита - 950°С и выше, связано с необходимостью использования больших количеств, применяемой для обеспечения стабильного протекания такого рода процесса, тепловой и электрической энергии.
При осуществлении этой технологии, т.е. электролиза, в окружающую электролизер атмосферу производится выброс образующихся в нем вредных соединений и газов (фтористый водород, оксид углерода, серосодержащие продукты и т.д.).
Все перечисленное выше приводит к необходимости использования в производстве первичного алюминия сложного и дорогостоящего оборудования, а также таких же обслуживающих его систем, что отрицательно сказывается на получаемых экономических показателях такого рода известного способа.
Известен также способ получения первичного алюминия, в процессе проведения которого первичный алюминий выделяют при помощи реакции термохимического восстановления глинозема углеродом с последующим осаждением полученного в ходе выполнения ее металла.
Процесс протекает во внутренней полости плазменно-индукционной печи, в которой между тугоплавким катодом и анодом создают плазменную дугу и подают в нее смесь, состоящую из глинозема и углерода. Управление траекторией перемещения плазменной дуги осуществляется с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом, расположенным вокруг тела анода.
При проведении этого известного способа, под воздействием высокой температуры плазмы протекает химическая реакция карботермического восстановления алюминия из содержащих глинозем окатышей под воздействием генерируемых в этой зоне атомов углерода. Полученный металл в виде жидкого расплава осаждается на дно плазменно-индукционной печи. Оттуда жидкий алюминий, по мере его накопления, удаляется через отводящий трубопровод.
Индуктор, коаксиально расположенный вокруг находящихся в нижней части устройства графитовых блоков, создает необходимый для поддержания нужной температуры расплава электрической ток. Кроме того, плазменно-индукционная печь снабжена трубопроводами для удаления шлаков и диоксида углерода, который используется для поддержания генерации плазменной дуги.
По указанному выше известному способу алюминий образуется в зоне плазменной дуги при температуре 2050°С; и удаляется из этой области за счет охлаждения полученных там его частиц струей инертного газа. (см. патент №2170278 «Способ получения первичного алюминия и устройство для его осуществления», РФ, С22В 21/02; публикация 10.07.2010 г. - далее прототип). Управление перемещением получающейся при пропуске через газ мощного электрического заряда плазменной дуги производят с помощью магнитных полей, создаваемых в печи имеющимся в ней соленоидом. Однако и это известное техническое решение-прототип тоже имеет целый ряд существенных недостатков.
Как и в разобранном ранее способе, получение алюминия с помощью генерируемой в устройстве плазменной дуги связано с высокими затратами необходимой для этого электрической и тепловой энергии.
Для осуществления способа используется достаточно сложное по своей конструкции оборудование, что отрицательно сказывается на его эксплутационных характеристиках и степени надежности, что зачастую выявляется в процессе его использования по прямому назначению.
Применение мощных электрических зарядов и высокая температура дугового плазменного разряда требует введения в конструкцию известного устройства дополнительных систем, обеспечивающих безопасную работу обслуживающего его персонала и снижающих степень вредного воздействия такого рода факторов на окружающую эту конструкцию природную среду.
Задачей изобретения является снижение затрат, связанных с получением металлического алюминия, а также разработка применяемого при осуществления предлагаемого способа устройства с более простым конструктивным исполнением.
Технический результат обеспечивается за счет применения в предлагаемом решении следующих факторов.
Способ получения металлического алюминия включает загрузку в
емкость для получения алюминия алюмосодержащей глины с восстановителем. Восстановление этих продуктов производят под воздействием генерируемого в рабочей зоне магнитного поля. В нижней же части этой области осуществляется и осаждение полученного в ней алюминия.
Новым в способе является и то, что применяемую при проведении обработки алюмосодержащую глину размалывают на частицы с размерами 0,02÷1,0 мм, после этого ее загружают в емкость для получения алюминия в количестве 20-40% от ее объема.
Потом ее перемешивают с атмосферным воздухом в емкости и формируют воздушную взвесь.
3
6
2
В качестве же восстановителя при выполнении обработки используют углерод, входящий в состав углеродосодержащих газов, присутствующих в применяемом для создания взвеси атмосферном воздухе. Само же восстановление металла осуществляют при воздействии переменного вращающегося магнитного поля с напряженностью в рабочей зоне 5,5×10÷1×10 А/М, и частоте его в 40-70 Гц. При этом емкость для получения алюминия используют в качестве замыкающего соединительного звена для генерируемого в устройстве магнитного потока. Кроме того, при выполнении предлагаемого способа в толщу осевшего на дно емкости осадка подают струи сжатого воздуха под избыточным давлением 0,1÷0,6 кгс/см для формирования в этой области кипящего слоя.
Устройство для получения металлического алюминия содержит емкость для получения алюминия. В состав устройства также входят рабочие элементы для формирования воздействующего на частицы алюмосодержащей глины и восстановитель магнитного поля. Эти элементы соединены с внешним источником электрического питания. Устройство также содержит и соленоиды, размещенные на рабочих элементах.
Новым в устройстве является то, что его рабочие элементы выполнены в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала. Эти пластины в процессе их монтажа образуют замкнутый прямоугольный контур. Применяемые же в нем соленоиды выполнены в виде трех обмоток-катушек, размещенных в теле составляющих замкнутый прямоугольный контур рабочих элементов. Каждая из этих обмоток-катушек соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания. Кроме того, в одном из составляющих контур рабочих элементов выполнен сквозной паз для размещения в нем емкости для получения алюминия. При этом на торце верхней части этой емкости устанавливается крышка, исключающая прямой доступ воздуха из окружающей устройство внешней среды во внутренний объем емкости. А по дну ее прокладывается заглушенный с торцевой части патрубок, в стенках которого выполнены отверстия перфорации, соединенный с внешней магистралью для подачи сжатого воздуха под избыточным давлением.
Такого рода нововведения позволяют коренным образом изменить характер протекания процесса формирования металлического алюминия в сам момент его получения из исходной сырьевой массы. Последний начинает приобретать в связи со всем этим следующие характерные особенности. Во-первых, сама начальная стадия этого способа включает в себя «тонкий помол» кусков исходной руды, проходящей через такого рода обработку. С помощью любого из известных методов дробления, например, при помощи шаровой мельницы, комки сырьевой массы растирают на частицы с габаритными размерами от 0,02-1,0 мм.
Эта операция обеспечивает в последующем возможность формирования стойкой взвеси такого рода ее частиц 4 в объеме заполняющего технологическую емкость атмосферного воздуха.
Полученный после размола исходный материал загружается в ее внутреннюю полость, после чего смешивается с заполняющей емкость массой присутствующего там атмосферного воздуха.
Формирование устойчивой взвеси в полости емкости может осуществляться с помощью любой, используемой для этих целей, известной методики (например, с помощью механической мешалки, подачей туда струй сжатого воздуха и т.д.). Объем загружаемого туда пылевидного материала при выполнении обработки составляет от 20% до 40% от всего объема заполняемой им емкости. Выбор диапазона содержания загружаемых в полость емкости частиц 20-40% определяется опять-таки необходимостью формирования не расслаивающейся мгновенно механической воздушной взвеси, которая должна сохраняться неизменной в течение почти всего периода времени, необходимого для выделения из исходного сырья металлического алюминия 5. Перед осуществлением обработки прошедшую операцию помола руду еще и подсушивают при температуре 120-150°С в течение 30-50 мин. Подсушку пылевидной сырьевой массы выполняют для предотвращения слипания отдельных частиц 4 в крупногабаритный комок, состоящий из последних в процессе формирования их смеси с применяемым объемом атмосферного воздуха.
После получения такого рода взвеси из частиц, содержащих глину 4, и атмосферного воздуха, емкость 3, заполненную последними, помещают в выполненный для этой цели установочный паз «Б» в контуре магнитного генератора. После размещения там емкости 3 со взвесью обмотки-катушки 2 генератора, выполняющие функции соленоидов, подключаются к разным фазам внешнего источника для подачи к ним переменного электрического тока.
При этом каждая из трех входящих в генератор обмоток-катушек генерирует собственное магнитное поле. Эти поля, проходя через магнитопроводящие элементы, включающие в себя обмотки-катушки, составляющие контур, суммируются в единое общее.
Так как для подачи на обмотки-катушки 2 используется переменный электрический ток, то и это суммарное магнитное поле, присутствующее в зоне монтажа емкости со взвесью частиц сырья, тоже является переменным.
Кроме того, в связи с тем, что каждая из используемых для питания трех обмоток-катушек фаз внешнего источника имеет соответствующие угловые смещения относительно соседних; то это суммарное магнитное поле еще и как бы «вращается» в той зоне, где осуществляется его воздействие. Формируемый же внутри разорванного установочным пазом «Б» контура результирующий магнитный поток стремится соединить образованные этим разрывом его половины в единое целое, совершая «прыжок» через разделяющее их воздушное пространство, а также и через внутреннюю полость установленной в сквозном пазе «Б» самой емкости 3 (см. фиг.1).
При перемещении получаемого в генераторе результирующего вектора магнитного потока за выбранный определенный промежуток времени его конечные точки опишут кривые линии, очерчивающие фигуру, по форме напоминающую пространственный эллипсоид (см. зону «Д» на фиг.1). Сужение к переднему и заднему концу последнего обусловлено значительным повышением магнитного сопротивления из-за возникающих в процессе монтажа емкости воздушных зазоров «а» (см. фиг.1). «Утолщение» средней его части вызвано, наоборот, падением значения последнего из-за накопления в области пересечения с протекающим через нее магнитным потоком гранул готового металла 5.
Таким образом, можно утверждать, что формируемый непосредственно в рабочей зоне, т.е. внутри полости технологической емкости, результирующий суммарный магнитный вектор перемещается в пространстве с изменением своего углового положения во всех трех пространственных координатах. Кроме положения этот вектор еще и периодически меняет свою абсолютную величину. Все эти явления определяются и задаются соответствующим подбором величины и частоты используемого для питания обмоток-катушек 2 переменного электрического тока (40-70 Гц).
2
3
Перемещаясь таким образом внутри заполненной взвесью частиц глиносодержащего сырья 4 емкости 3, такого рода результирующий вектор воздействуют на входящие в ее состав молекулы окиси алюминия - AlO.
Обрушивая на последнее периодически повторяющиеся «толчки» и «удары», вектор суммарного магнитного потока активирует электроны, находящиеся на соответствующих орбитах атомов, входящих в состав ее молекул. Подвергнутые мощному энергетическому воздействию электроны совершают переход на более удаленные от ядра орбиты, при этом разрываются ранее имеющие место ковалентные молекулярные связи, и молекулы распадаются на отдельные составляющие.
2
3
2
4
+
Так как одновременно с такого рода воздействием на входящие в частицы глины молекулы AlO протекают и аналогичные процессы в углеродосодержащих молекулах, входящих в состав атмосферы газов (СО; СО; СН), то полученный в ходе осуществления таких «магнитных ударов» атомарный углерод С отнимает у молекулы окиси алюминия высвобожденный при ее распаде атомарный кислород, соединяясь с последним.
Т.е. в процессе обработки протекают реакции:
2
3
+
+
AlO→2Al+3О;
+
+
СО→С+О;
2
+
+
СО→С+2О;
4
+
+
СН→С+4Н;
2
2
и обратные; с формированием новых объемов газа, имеющих в условиях такого рода энергетического воздействия минимум внутренней энергии (НО и СО). В такого рода условиях полученный металлический алюминий, наоборот, представляет достаточно устойчивые кристаллы, которые сохраняют свою неизменную форму в условиях такой интенсивно проводимой энергической обработки.
Образованные указанным образом в толще взвеси более тяжелые, чем окружающие их сырьевые частицы 4 кристаллики металлического алюминия, под действом сил гравитации опускаются на дно применяемой емкости 3.
2
3
По дороге они «собирают» на свою поверхность не успевшие прореагировать мельчайшие частицы 4 из AlO и формируют с участием последних толщу слоя «придонного» осадка.
Так как вращающееся переменное магнитное поле продолжает осуществлять такого же рода воздействия и на накапливаемый в указанной области материал, то происходит дальнейшее выделение металлического алюминия из осевшего в этой области сырья.
Мелкие кристаллические центры, состоящие из атомов Аl, продолжают свой рост и в этой «придонной толще» за счет использования такого рода глиняных частиц 4, превращаясь во все укрупняющиеся металлические гранулы 5. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут полностью использованы все входящие в исходную сырьевую массу содержащие алюминий соединения.
На конечном этапе осуществления магнитной обработки вся взвесь переходит в толщу донного осадка, очищая от своего присутствия заполняющий внутреннюю полость емкости 3 объем воздуха.
После ее завершения на дне ее остаются металлические гранулы 5 из алюминия, и небольшая масса, состоящая из присутствующих в составе исходного рудного сырья материалов-загрязнителей (например, соединения магния; кремния; твердого углерода и т.д.).
Количество такого рода отходов определяется, прежде всего, степенью чистоты применяемой для получения металла исходной руды.
2
+
С целью интенсификации протекающего в «придонной» зоне технологической емкости процесса получения металла, используется метод создания в ней так называемого «кипящего слоя». Подача туда струй сжатого воздуха под небольшим (0,1-0,6 кгс/см) избыточным давлением обеспечивает генерацию колебательных перемещений попавших в эту область отдельных частиц, как бы выделяя их из общей массы, составляющей такого рода осадок. Периодически же совершаемое передвижение последних в струях содержащего дополнительные ионы восстановителя С газа позволяет в 3-4 раза повысить производительность осуществляемого в емкости 3 процесса, и соответственно, уменьшает необходимый для выполнения такого рода обработки используемый временной интервал. Последний равен в этом случае 1-4 минутам.
Получение алюминия из воздушной взвеси может осуществляться и без применения такого рода «кипящего слоя», но в этом случае соответствующим образом увеличиваются затраты необходимого для этого времени, и, следовательно, расход применяемой электрической энергии.
2
Для подачи струй сжатого воздуха в придонную область используется обычный перфорированный патрубок 6; внутренняя полость которого присоединяется к внешней подающей сжатый воздух магистрали. Генерация избыточного давления (0,1-0,6 кгс/см) производится с помощью любого промышленного компрессора.
3
6
Напряженность применяемого для получения алюминия переменного вращающегося магнитного поля, замеренная непосредственно в зоне обработки, составляет 5,5×10-1×10 а/м. Применение меньших, чем указанное выше ее значений, не обеспечивает формирование условий, гарантирующих выделение металла из его соединений, входящих в состав исходной сырьевой массы.
6
Использование более высоких значений чем 1×10 А/м напряженности магнитного поля, не позволяет обеспечить достижение какого-либо дополнительного положительного эффекта. В то же время увеличение напряженности применяемого магнитного поля свыше указанных пределов потребует дополнительных затрат используемой для формирования поля электрической энергии.
Те же самые факторы определяют и подбор диапазона частот, в пределах которого осуществляется генерация переменного магнитного поля.
Т.е. при применении значений частоты, меньших чем 40 Гц, затрудняется протекание процесса выделения металлического алюминия из его соединений при осуществлении предлагаемых способов.
При частоте, большей чем 70 Гц, так же в ходе осуществления процесса обработки появляются сбои и нарушения, вызываемые чрезмерным увеличением угловой скорости перемещения в объеме обрабатываемой взвеси результирующего вектора магнитного потока. Перенос зон его воздействия начинает протекать настолько быстро, что необходимые преобразования во входящих в состав взвесей соединениях попросту не успевают осуществляться.
2
Величина избыточного давления подаваемого в приданный слой сжатого воздуха определяется исходя из соображении, что при меньшем давлении чем 0,1 кгс/см затрудняется процесс перемещения в вертикальном направлении окружающих подающий патрубок частиц в придонном слое.
2
При величинах его же больших чем 0,6 кгс/см не обеспечивается достижение каких-либо существенных преимуществ в ходе выполнения способа с применением такого рода интервалов. В тоже время увеличение диапазона используемого избыточного давления потребует больших экономических затрат при осуществлении способа.
Интервалы времени осуществления процесса высаждения алюминия назначены исходя из следующих соображений.
При времени обработки меньшем, чем одни минута, не удается полностью извлечь металл из подвергнутых обработке сырьевых частиц.
Применение интервала времени, превышающего значение, равное 4 минутам, не обеспечивает получение какого-либо дополнительного эффекта, но влечет за собой повышение расхода используемой в ходе осуществления процесса энергии.
Получаемые при выполнении предлагаемого способа гранулы металлического алюминия 5 имеют габариты от 0,5 до 4,0 мм. Степень чистоты последнего зависит от вида исходной руды и степени насыщенности ее соединениями этого металла. В «богатых» рудах она может составить 99,9992% (т.е. получается химически чистый металл).
В тоже время в случае применения так называемых «бедных руд» чистота получаемого металла тоже имеет достаточно высокие показатели - самый минимум составляет 98,12%. Это позволяет применять его в качестве «чернового» алюминия для проведения получения сплавов на его основе или в качестве исходного сырья для выполнения дополнительного его последующего рафинирования.
К исходному сырьевому материалу, используемому для получения металла, не предъявляется никаких дополнительных требований. Т.е. могут использоваться любые месторождения глины, даже и не очень-то и богатые относительно содержащихся там соединений алюминия. Условие остается единственное - лишь бы он присутствовал там бы вообще.
Подготовка сырья к процессу обработки так же является относительно несложной и включает в себя размол сырья до получения фракций с габаритами частиц 0,02-0,1 мм.
Перед засыпкой в технологическую емкость полученная размолом пыль предварительно подсушивается в жарочных шкафах при температуре 120-150°С в течение 30-50 мин.
На этом подготовку исходного материала можно считать законченной.
Выход чистого металла относительно используемого сырья, в зависимости от степени насыщенности его соединениями алюминия, составляет от 18 до 42%.
Получающиеся после окончания обработки отходы - порошок серо -голубого оттенка, включающие в себя присутствующие в исходном сырье соединения других элементов земной коры, в зависимости от их состава, могу направляться для дальнейшего их технического использования, например, в качестве связующих для получения строительных материалов. Количество генерируемых в придонном слое отходов составляет величину от 7-19% от начальной массы, применяемой для получения металла руды.
Расход необходимой электрической энергии по отношению к аналогичным затратам, но при выполнении классического способа, составляет величину незначительную - 300-500 кВт·час в расчете на формирование 1 т конечного продукта. При осуществлении же электролиза с применением расплавов криолита для получения 1 т металла необходимо затратить ее в размере 17000 кВт·час.
К характерным особенностям протекания процесса получения гранул алюминия из исходного сырьевого материала следует отнести то, что из-за протекающих в толще придонного слоя экзотермических реакций температура в нем в ходе осуществления обработки повышается до значений 40-45°С (незначительный нагрев).
Установка емкости 3 в сквозном пазу «Б» магнитного генератора и применение ее в качестве своеобразного мостика - т.е. соединительного замыкающего звена используемой для создания физического поля системы, обеспечивает возможность формирования в ее внутренней полости полей с максимально возможными в этих условиях значениями получаемой там их напряженности. Это гарантирует получение там максимально благоприятных условий для совершения процессов преобразования исходных рудных соединений непосредственно в металл, осаждаемый на дне емкости 3 в ходе осуществления обработки.
Далее процесс выполнения предлагаемого способа иллюстрируется с помощью ряда приводимых ниже примеров.
2
3
Пример 1. В цилиндрическую емкость объемом 5 л закладывались частицы глинозема - обогащенная по окиси алюминия руда, полученные размолом на шаровой мельнице и имеющие дисперсность 0,02-1,0 мм; (содержание AlO - 87%). После размола частицы проходили подсушку в жарочном шкафу при температуре 150°С в течение 30 мин.
После закладки пылевидной массы частиц глинозема, исходный объем которой составил 20% от всего объема технологической емкости 3, последняя устанавливалась в сквозной паз "Б" генератора переменного магнитного поля. Перед началом включения генератора засыпанный в емкость сырьевой материал перемешивался с воздухом с помощью вводимой в полость емкости механической мешалки (на чертеже не показана).
2
После завершения указанных выше переходов осуществлялось подключение обмоток-катушек 2 генератора к соответствующим фазам внешнего источника питания; а установленный на дне емкости 3 перфорированный патрубок 6 соединялся с подающей сжатый воздух магистралью. Подача сжатого воздуха в емкость осуществлялась под избыточным давлением 0,1 кгс/см.
3
Замеренная в зоне обработки с помощью датчика Холла и измерительного моста напряженность магнитного поля составляла 5,5×10 А/М. Частота переменного магнитного поля находилась в пределах 70 Гц.
Время обработки до наступления такого момента, когда полученная ранее взвесь полностью не осела на дно емкости 3, составило 4 мин.
По окончании процесса получения алюминия на дне емкости сформировались гранулы металла с габаритами от 2 до 4 мм. Кроме этих гранул, на дне емкости был получен мелкозернистый осадок серовато-голубого цвета.
Чистота алюминия в гранулах составила 99,9992% (т.е. он соответствует категории химически чистый). Выход его из использованной в ходе проведения процесса сырьевой массы достигал 41,5%.
Полученные порошковые отходы содержали в своем составе соединения Mg; Si и твердый углерод С.
Количество такого полученного в конце цикла обработки порошка было равным 12% относительно принятой за исходную всей массы рудного материала.
Выделенные в процессе получения металла газообразные продукты выводились в окружающую атмосферу.
6
2
Пример 2. При тех же самых условиях осуществлялось получение металла из необогащенного сырья, в качестве которого использовался содержащий глину минерал алунит. Содержание соединений алюминия в нем составляло 38%. Как и в вышеуказанном примере, перед процессом обработки исходная сырьевая масса размалывалась до получения частиц с размерами 0,02-1,0 мм; а затем подсушивалась при 120°С в течение 50 минут. Объем загружаемой руды составлял 40% от объема емкости. Обработка осуществлялась при напряженности магнитного поля, составляющей 1×10 а/м и частоте его, равной 40 Гц. Избыточное давление подаваемого на дно емкости 3 сжатого воздуха было равным 0,6 кгс/см.
Время обработки составило 1 минуту.
В итоге ее проведения на дне емкости 3 из исходной взвеси были высаждены гранулы металла 5 с размерами от 0,5 до 1,5 мм. Выход металла из использованной для его получения сырьевой массы составил 18,4%.
Объем полученных отходов в виде зернистого порошка темно-серого цвета, включающего соединения K, Na, S, составил 18,9%; остальное - выделенные в процессе обработки и ушедшие в окружающую атмосферу газообразные продукты.
Чистота полученного алюминия составила 98,12%, что соответствует требованиям, предъявляемым к алюминию деформируемому марки АД 33 (по норме содержания металла в нем 95,85-98,6%).
2
3
5
Пример 3. Для осуществления предлагаемого способа использовались необогащенные бокситы с содержанием AlO в сырье, равным 41%. После размола с получением частиц с габаритами 0,02 - 1,0 мм и просушки при 140°С в течение 40 мин, из указанных частиц во внутренней полости емкости 3 была сформирована соответствующая воздушная взвесь в количестве, равном 30% от объема емкости. Взвесь проходила обработку в установочном пазу "Б" контура применяемого магнитного генератора. Избыточное давление подаваемого в емкость сжатого воздуха соответствовало 0,3 кгс/см, напряженность переменного магнитного поля в зоне обработки была равной 5,0×10 а/м; частота его соответствовала 50 Гц. Время выполнения обработки составило 3,0 минуты. Осевшие на дно емкости гранулы металла имели габаритные размеры от 1 до 2,5 мм; количество полученного из сырьевой массы металлического алюминия достигло значения в 20,8%.
Степень его чистоты составила 98,91%; (что соответствует показателям алюминия технического марки АД - 98,8%).
Кроме металлических гранул в емкости сформировался мелкозернистый осадок светло-серого цвета, объем которого составил 14,4% относительно используемой массы рудного материала. В состав его входили соединения Si; Fe; Ca.
Остальную же часть этого обработанного объема сырья составили полученные в ходе ее проведения выделившиеся из него газообразные продукты. Их вывод осуществлялся в наружную атмосферу.
2
3
Пример 4. Для получения металлического алюминия была использована необогащенная глиняная руда - каолинит, с содержанием AlO, равным 48%. После осуществления ее размола на частицы с габаритами 0,02÷1,0 мм и просушки при 130°С в течение 35 минут; из указанного выше материала в емкости 3 с объемом 5 литров была сформирована взвесь из такого рода частиц глины и воздуха. Объем помещенного в емкость сырья составлял 35% от ее объема.
4
Полученная взвесь проходила обработку в используемом для ее осуществления магнитном контуре при напряженности магнитного поля, составляющей 3,6×10 а/м и частоте его в 60 Гц.
2
Давление подаваемого в емкость сжатого воздуха было равным 0,5 кгс/см. Время обработки составило 2 минуты. В ходе осуществления получения алюминия из воздушной взвеси глиняных частиц было установлено, что количество осажденного на дне емкости металла составило 23,6%. Количество выпавшего вместе с гранулами серого цвета осадка достигало значения 20,6%. Сам этот осадок содержал соединения Si; Fe; Ca, Mg, С. Остальную часть от исходного количества использованной руды составили газообразные продукты, выделившиеся в атмосферу.
Чистота полученного алюминия составила 99,91%, что соответствует требованиям, предъявляемым по этому показателю к алюминию техническому марки АД - 98,8%. Размер полученных металлических гранул составлял от 0,7 до 3,2 мм.
Отделение гранул металла от осевшего совместно с ним осадка во всех представленных вариантах осуществляется пропуском этой осажденной в придонной части емкости 3 массы через обыкновенное калибровочное сито с соответствующими размерами имеющихся у него ячеек.
Из представленных выше примеров видно, что получение алюминия в соответствии с предлагаемым способом может осуществляться как с применением обогащенного (глинозем), так и необогащенного содержащего глину рудного сырья (каолинит, бокситы, алунит и т.д.).
И в том, и в другом случае процентное содержание получаемого из него алюминия достигает достаточно существенных количеств, что позволяет считать предложенный способ максимально эффективным для применения в целях его дальнейшего использования непосредственно в самом промышленном производстве.
Процесс выделения металла из исходного сырья осуществляется при комнатной температуре и давлении, либо равном атмосферному, либо отличающемся от него лишь на незначительную величину.
Применяемое для осуществления предложенного способа устройство изображено на фиг.1.
Предлагаемое устройство включает в состав:
Поз.1 - магнитопроводящие элементы, образующие прямоугольный контур генератора
Поз.2 - обмотки-катушки, выполняющие функции соленоида, генерирующего переменное магнитное поле
Поз.3 - емкость для проведения обработки, помещаемой туда воздушной взвеси
Поз.4 - частицы глины, образующие обрабатываемую воздушную взвесь
Поз.5 - полученные при обработке гранулы металлического алюминия
Поз.6 - перфорированный патрубок, используемый для подачи сжатого воздуха в придонный "кипящий слой"
Поз.7 - отверстия перфорации в стенках патрубка 6 для вывода струй сжатого воздуха в толщу придонного осадка
Поз.8 - крышка для изоляции внутренней полости емкости 3 от окружающей ее атмосферы
Буква Б - сквозной паз в элементе 1 магнитного генератора для монтажа в нем емкости 3
Буква а - образующиеся при установке емкости 3 воздушные монтажные зазоры
Буква Д - пространственный эллипсоид, формируемый в процессе колебательного углового перемещения, генерируемого в устройстве результирующего вектора суммарного магнитного потока
Буква Р - направление силы давления, развиваемого при подаче в патрубок 6 сжатого воздуха, поступающего из центральной подающей магистрали.
Работа предлагаемого устройства в процессе получения металла протекает следующим образом:
В самом начале выполнения этой операции в разрыв элемента 1 генерирующего контура производится установка емкости 3, которая заполнена воздушной взвесью из частиц глины 4. Монтаж емкости осуществляется в предусмотренном для этого сквозном пазу "Б" используемого для обработки генератора (см. фиг.1). Выходу воздушной взвеси в окружающую емкость 3 атмосферу препятствует крышка 8, перекрывающая ее внутреннюю полость и ликвидирующая возможность ее прямого сообщения с внешней средой.
После монтажа емкости производится подключение перфорированного патрубка 6 к питающей его сжатым воздухом воздушной магистрали. Например, при помощи гибкого рукава с быстроразъемным креплением (на чертеже не показаны).
После завершения установки емкости 3 между ее стенками и торцевыми поверхностями разорванного пазом "Б" элемента 1 образуются воздушные промежутки, обозначаемые буквами "а". После всего этого все три обмотки-катушки 2 подключаются к соответствующим фазам внешнего источника питания (на чертеже не показан), и на них в итоге поступает переменный электрический ток.
Конкретные его параметры (сила тока; напряжение; частота), обеспечивающие соответствие заданным технологией режимам обработки, регулируются при помощи входящего в состав внешнего источника питания блока управления (на чертеже не показан).
Выполняющие функции соленоидов, обмотки-катушки 2 после подачи на них питания, формируют свои, индивидуальные магнитные поля. Каждое из них через магнитопроводящие элементы 1 суммируется с соседними, создавая за счет этого единое суммарное поле.
По телу контура в ходе совершения этой операции пробегает магнитный поток, который "утыкается" в искусственно созданный в зоне установки емкости 3 воздушный разрыв (паз "Б" - см. фиг.1).
Стремясь соединить разорванные с помощью последнего отдельные половины контура в единое целое, такой магнитный поток совершает "проскок" через этот появившийся на его пути промежуток.
В процессе преодоления последнего этот поток неминуемо проходит через внутреннюю полость емкости 3, которая находится непосредственно в самой зоне совершаемого им перехода. В силу наличия такого обстоятельства емкость 3 с помещенной туда взвесью глиняных частиц 4 выполняет функцию замыкающего соединительного звена в генерирующем переменное магнитное поле контуре, так как при этом вольно или невольно соединяет в единое целое обе его половины.
Пересекая внутренний объем емкости 3, суммарный мощный магнитный поток оказывает интенсивно протекающее воздействие на частицы глины 4, а так же на окружающие их слои молекулы заполняющих объем емкости 3 газов. Так как магнитное поле, создаваемое в таком контуре, формируется тремя отдельными обмотками, то оно ввиду наличия имеющихся на разных фазах питания последних угловых сдвигов, в силу этого получается не только переменным, но еще и "вращающимся".
В итоге создаваемый непосредственно в самой зоне обработки результирующий вектор магнитного потока будет совершать угловые колебательные перемещения сразу же во всех трех пространственных координатах, меняя при этом свою величину (т.е. с частотой 40-70 Гц).
Если за определенный промежуток времени соединить точки нахождения его концов с помощью кривых, то полученная фигура будет наиболее близка к пространственному эллипсоиду (см. зону "Д" на фиг.1).
2
4
Под действием неизбежно возникающих при его появлении целой серии "толчков" и "ударов", активируются как молекулы составляющих частицы 4 взвеси окиси алюминия, так и содержащих углерод газов из числа входящих в атмосферу (СО; СО; СН).
Получившие мощную энергетическую "накачку" и те, и другие образуют заряженные ионы, вступающие во взаимодействие, с формированием новых газовых соединений и выделением алюминия в виде кристалликов металла. Полученные газы выходят в атмосферу, а кристаллики алюминия оседают под действием сил гравитации на дно емкости 3.
Так как они, а так же затянутые туда же при опускании в эту область кристалликов металла частички глины 4 попадают в зону влияния истекающих из отверстий 7 патрубка 6 струй воздуха, и те, и другие начинают совершать колебательное перемещение в толще донного осадка. Процесс выделения металла из частиц сырья 4 при этом существенно интенсифицируется, и мелкие центры кристаллизации, попавшие на дно, разрастаются до крупных гранул 5 (см. фиг.1).
Процесс протекает до тех пор, пока из всего объема сырья не будет извлечен присутствующий в нем алюминий. Не содержащий этот металл остаток породы будет заполнять пространство между гранулами 5, а так же покрывать их сверху.
Полученное во внутреннем объеме емкости 3 небольшое избыточное давление воздуха будет спускаться в атмосферу благодаря наличию сквозных щелей (на чертеже не показаны), возникших в процессе установки крышки 8 на открытую верхнюю часть емкости 3. Величина этих зазоров (0,005-0,01 мм) обеспечивает свободный проход полученных в ходе протекающих восстановительных реакций газообразных продуктов, и излишних объемов самого применяемого сжатого воздуха.
Визуально сам момент окончания процесса обработки можно легко определить, опираясь на повышение степени прозрачности помещаемой во внутреннюю полость емкости 3 воздушной взвеси.
По окончанию процесса полной переработки помещенного туда глиняного сырья 4, она становится полностью прозрачной, так как все ранее заполнявшие ее частицы в конечном итоге попадают на дно, образуя там либо гранулы, либо зерна порошка из отходов.
Однако создающиеся под крышкой 8 сквозные каналы для вывода избыточных объемов газообразных средств являются в то же время и барьером, не пропускающим частицы глины 4 в окружающую емкость наружную среду. Их габаритные размеры недостаточно велики, чтобы позволить осуществляться такому переходу (габариты частиц глины во взвеси 0,02-1,0 мм, что меньше создающегося между крышкой 8 и стенками емкости щелевых каналов 0,005-0,01 мм).
С этой же целью можно использовать конструкцию герметично закрытой со всех сторон емкости; имеющую наглухо задраиваемую крышку-люк с уплотнением по всему периметру ее контакта в местах стыковки со стенками емкости в ее верхний части (на чертеже не показано). В этом случае отвод избыточно получаемых во внутренней полости газов может производиться через проходящий через стенки емкости насквозь патрубок-фильтр, имеющий внутри плотно уложенную волокнистую набивку, образующую между нитями заполнителя точно такие же улавливающие сырье зазоры (на чертеже не показано). И в том, и в другом случае достигается требуемый технический эффект.
По завершению процесса обработки, длительность которого составляет 1-4 минуты; перфорированный патрубок 6 отключается от подающей сжатый воздух магистрали (например, с помощью выключения питающего ее компрессора или перекрытием соответствующего запорного вентиля - на чертеже не показаны).
Одновременно с этим отсоединяются от источника внешнего питания обмотки-катушки 2. После всего этого емкость 3 с накопленным на ее дне готовым продуктом - гранулами алюминия 5 и порошком из отходов, извлекается из сквозного паза "Б" контура магнитного генератора.
С нее снимается крышка 8, и полученные в нем продукты высыпаются на калибровочное сито, (на чертеже не показано). С помощью его отделяются более крупные гранулы металла 5 от более мелких зерен порошка-отхода. После завершения и этого перехода устройство вновь становится пригодным для дальнейшего повторения нового цикла обработки.
Учитывая все изложенное выше, можно прийти к следующему заключению.
Использование предлагаемого способа получения металлического алюминия, а так же применяемого вместе с ним устройства, обеспечивает существенное уменьшение количества потребляемой электрической энергии. Т.е. применение последних создает условия для уменьшения ее расхода в 30-50 раз по отношению к необходимому для выполнения процесса электролиза расплавов его соединений, содержащих добавки фтористых солей.
В случае осуществления такого рода предлагаемого выше процесса отпадает необходимость использования веществ и материалов, попадание которых в атмосферу может привести к загрязнению окружающей это производство среды, и нанести вред здоровья человека.
Кроме того, в отличие от известных способов, для такого рода производства металла могут применяться руды, содержащие любые возможные формы, имеющиеся в природе, соединений алюминия, как обогащенные, так и в своем первозданном "сыром" виде.
В случае использования прошедших операцию обогащения глиноземов, получаемый в ходе осуществления обработки в соответствии с предложенным способом металл обладает настолько высокой чистотой, что его можно отнести к категории "химически чистый".
Применяемое в ходе обработки сырья в соответствии с предлагаемым способом устройство отличается простотой конструктивного исполнения, и вследствие этого, высокой надежностью в эксплуатации.
В ходе осуществления предлагаемого процесса в качестве исходного сырьевого материала для получения металла может использоваться широкая гамма содержащих окись алюминия глин, которые ранее никогда не рассматривались в качестве пригодной для реализации этой цели промышленной руды.
Внедрение такого процесса и применяемого в ходе его выполнения устройства в производство не требует привлечения существенных капиталовложений и не связано с необходимостью использования заметных трудовых затрат, а также длительных сроков времени, необходимых для осуществления подготовки производства.
Применяемые в предлагаемом устройстве материалы и узлы использованы из числа широко распространенных для получения разного рода оборудования, уже нашедшего применение для осуществления похожих на предложенную технологий. В ходе длительного использования в реальном производственном цикле последние доказали свою высокую эксплуатационную надежность, а также хорошую ремонтопригодность.
Полученные же в ходе осуществления предлагаемого способа отходы могут найти дальнейшее применение в промышленном производстве в качестве необходимого для него строительного материала.