СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ МАГНИЙТЕРМИЧЕСКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ТРИХЛОРИДА АЛЮМИНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF ALUMINIUM VIA MAGNESIUM THERMAL REDUCTION OF ALUMINIUM TRICHLORIDE

Область техники
Изобретение относится к металлургии цветных металлов применительно к технологии получении алюминия.
Уровень техники
Известны технические решения по магнийтермическому методу получения алюминия, в которых сущность процесса заключается в подаче в реактор исходных трихлорида алюминия и магния в газообразном виде с получением жидких алюминия и дихлорида магния по реакции:
Это патенты RU 2.478.126 и RU 2.476.613, а также Международная заявка РСТ/RU 2011/000676 /1-3/. Наиболее близким прототипом нового решения является пат.RU №2.478.126. Для поддержания исходных веществ в газообразном состоянии в изобретении-прототипе предусмотрена температура от 900 до 1150°С. Обеспечивать конструктивные и технологические параметры работы такой системы в агрессивных средах весьма сложно. При этом если для поддержания магния в газообразном состоянии необходима температура до точки его кипения, равной ~1105°С, то хлорид алюминия возгоняется уже при температуре ~180°С /4/. Представляется крайне желательным снизить температуру процесса, переведя систему (1) в жидкофазное состояние.
Сущность изобретения
2
Заключается в том, чтобы магний как металл-восстановитель использовать не в газообразном, а в конденсированном жидком дисперсном состоянии. При температурах плавления магния 651°С, его безводного дихлорида 711°С и алюминия 660°С /4/ реально можно обеспечить процесс при нижнем значении температуры ~720°С. В самом деле известно, что проще организовывать поток материалов в герметичной системе, используя состояние жидкости или газа без участия твердофазных компонентов. Наиболее высокой температурой плавления среди участников реакции (1) обладает MgCl и для того, чтобы его капельки коалесцировали и стекали вниз по поверхностям магнезитовых насадок, хлорид магния должен оставаться в жидком состоянии.
2
Отсюда и проистекает требование температуры в 720°C с учетом необходимости небольшого перегрева системы по отношению к температуре плавления MgCl в 711°С.
3
Наиболее низкой температурой фазовых превращений в системе (1) обладает трихлорид алюминия, возгоняющийся при температуре 180°С и не имеющий жидкого состояния при атмосферном давлении. Указывается, однако, температура плавления AlCl 192,6°С при давлении 1715 мм рт. ст./4/, что отвечает ~2,26 ат. Следовательно, при значениях давления, зафиксированных в формуле изобретения-прототипа (RU №2.478.126) и достигающих 5 ат. /1/, трихлорид алюминия будет находиться в состоянии газожидкостной смеси.
3
Таким образом, оба исходные вещества - как дисперсный магний, так и трихлорид алюминия - при температуре 720-880°С находятся в конденсированном жидком (Mg) или в газожидкостном (AlCl) состоянии. Верхним пределом по условиям требований смачиваемости конструкционных материалов и жидкотекучести продуктов можно взять значение температуры в 880°С.
Технический результат изобретения заключается в снижении температуры процесса по сравнению с прототипом от 900-1150°С до 720-880°С или по средним значениям от 1025°С до 800°С, т.е. более чем на 200°С. Это обеспечит снижение расхода энергии на получение металла, лучшую управляемость процесса и более высокий срок службы аппаратуры. Кроме того, важнейшим результатом является возможность использования исходных веществ преимущественно в жидком, а не в газовом состоянии. Это позволит при сопоставимых значениях линейных скоростей потоков на 1-2 порядка или более увеличить массовые скорости или расходы потоков, т.е. многократно увеличить производительность процесса и аппаратуры.
Перечень фигур чертежей и описание взаимодействия
Аппаратура для реализации технического решения остается той же, что приведена в описании нашего патента RU 2.476.613 /2/ с той только разницей, что на фиг. 1А этого изобретения по соплам или форсункам 8 подается не пар магния, а жидкий диспергированный магний вместе с осушенным инертным газом. Методы получения металлических дисперсий из расплавленных жидких металлов хорошо известны и широко применяются в порошковой металлургии.
При введении в реактор (Фиг. 1А) газожидкостной смеси хлорида алюминия (п. 7) и во встречном турбулентном потоке инертного газа с жидким диспергированным магнием (п. 8) обеспечиваются идеальные условия контакта частиц и высокая скорость их взаимодействия по уравнению (1). Продукты реакции - жидкий алюминий и хлорид магния - будут непрерывным потоком вытекать из реактора, как это и предусмотрено пат. РФ №2.476.613. /2/. Вопросы защиты этих продуктов от взаимодействия с кислородом и влагой воздуха будут решены при выполнении проекта пилотной установки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
По результатам классических термодинамических расчетов реакция (1) в заявленных условиях характеризуется значениями:
и
т.е. протекает самопроизвольно с выделением значительного количества тепла. Температура процесса по средним значениям на 150°С ниже, чем в классическом электролизе (810°С против ~960°С), и на ~200°С ниже, чем в решении по патенту - прототипу /1/. Внедрение нового решения ожидается более легким и во всех отношениях оправданным. Значительное понижение температуры и использование жидкого магния - восстановителя позволят также улучшить психологию и уровень доверия к изобретению у производителей алюминия.
Уместно отметить при этом, что процессы диспергирования жидкого металла, в частности магния и алюминия, хорошо отработаны и успешно применяются в порошковой металлургии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бегунов А.И. Способ производства алюминия металлотермическим восстановлением. Патент РФ №2.478.126 с приор. от 8 ноября 2010 года.
2. Бегунов А.И. Устройство для металлотермического восстановления алюминия… Патент РФ №2.476.613 с приор. от 21 января 2011 года.
3. Begunov A.I. Method for producing aluminium… and apparatus for carrying out… Intern. Claim PCT/RU 2011/000676.
4. Справочник химика. Под ред. Б.П. Никольского. Т.П. Химия. - Л.-М., 1964.