СПОСОБ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ АЛЮМИНИЯ, ПРОИЗВЕДЕННОГО КАРБОТЕРМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
DECARBURISATION OF ALUMINIUM PRODUCED BY CARBOTHERMY

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент США N 12/334,687, озаглавленной "Способ обезуглероживания алюминия, полученного карботермическим способом", от 15 декабря 2008, которая введена здесь ссылкой во всей своей полноте.
Уровень техники
4
3
Настоящее изобретение относится к способу выделения алюминия товарной марки из сплава Al-C, полученного в карботермическом процессе. В частности, изобретение относится к способу разделения и извлечения алюминия из сплава, который содержит алюминий и частицы карбида алюминия (AlC), то есть к обезуглероживанию алюминия.
Вообще говоря, суммарная реакция прямого карботермического восстановления глинозема для получения алюминия имеет вид
2
3
AlO+3C=2Al+3CO.
Карботермическое восстановление глинозема может проходить в несколько этапов:
2
3
4
3
(1) 2AlO+9C=AlC+6CO и
4
3
2
3
(2) AlC+AlO=6Al+3CO.
Настоящее изобретение относится к способу обезуглероживания после карботермического восстановления глинозема для получения алюминия.
Суть изобретения
4
3
4
3
4
3
В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу извлечения алюминия торгового качества. В другом варианте осуществления предоставляется способ извлечения алюминия из расплавленного сплава, который содержит выделения AlC и алюминий, путем охлаждения расплавленного сплава; затем добавления достаточного количества тонко распределенного газа в расплавленный сплав при температуре от примерно 700°C до примерно 900°C, чтобы отделить алюминий от выпавшего AlC. Извлеченный алюминий представляет собой произведенный карботермически алюминий, причем этап добавления достаточного количества тонко распределенного газа вызывает всплывание выпавших частиц AlC.
4
3
В одном варианте осуществления конечный этап отделения алюминия от выпавшего AlC проводится путем декантации, подповерхностной или вакуумной выливки обезуглероженного алюминия в сборник.
В следующем варианте осуществления используемым тонко распределенным газом является инертный газ. В другом варианте осуществления в качестве инертного газа используется аргон или диоксид углерода.
В еще одном варианте осуществления используемым тонко распределенным газом является смесь газов. В другом варианте осуществления смесь газов представляет собой смесь инертного газа с химически активным газом. В следующем варианте осуществления используемым инертным газом является аргон, а химически активным газом хлор.
В следующем варианте осуществления газ вводится в расплавленный сплав посредством ротационного диспергатора, трубчатого барботера или пористого диффузора.
Еще в одном варианте осуществления газ вводится в расплавленный сплав, когда расплавленный сплав находится при температуре от примерно 700°C до примерно 900°C.
Соответственно одним вариантом осуществления изобретения является способ получения алюминия с очень низким содержанием углерода.
Другим вариантом осуществления изобретения является заявленный здесь способ извлечения обезуглероженного алюминия, полученного карботермически.
Эти и другие варианты осуществления изобретения станут более понятны благодаря следующему описанию и чертежу.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания изобретения обратимся к следующему описанию, проведенному в сочетании с приложенным чертежом, на котором:
фиг.1 представляет собой блок-схему, показывающую один вариант осуществления способа получения алюминия в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Далее приводятся определения терминов, используемых в настоящей заявке.
4
3
2
3
Как используется здесь, термин "расплавленный сплав" означает расплав по меньшей мере одного алюминиевого сплава и частиц AlC. Отметим, что расплавленный сплав может включать или содержать другие материалы, такие как AlO, C, оксикарбиды и т.д.
Как используется здесь, термин "достаточное количество" означает количество, которое облегчает разделение алюминия и карбида алюминия, чтобы извлечь более 90 вес.% имеющегося алюминия.
Настоящее изобретение предоставляет способ обезуглероживания алюминия.
4
3
4
3
В одном варианте осуществления настоящее изобретение раскрывает способ извлечения алюминия из полученного карботермически расплавленного сплава, который содержит карбид алюминия, как AlC, и алюминий. Расплавленный сплав охлаждают, и достаточное количество тонко распределенного газа добавляют в расплавленный сплав при температуре от примерно 700°C до примерно 900°C, отделяя алюминий от выпавших частиц AlC.
В одном варианте осуществления фиг.1 показывает блок-схему, на которой приведены основные этапы настоящего изобретения. Здесь, на первом этапе 10 готовится расплавленный сплав. На втором этапе 20 расплавленный сплав охлаждают. На третьем этапе 30 в расплавленный сплав добавляют тонко распределенный газ для облегчения удаления твердых осадков от алюминия, образуя две фазы, причем твердая фаза является верхним слоем. Алюминий затем удаляют и извлекают на четвертом этапе 40 путем декантации или выливки.
4
3
На начальном этапе готовят расплавленный сплав. В одном варианте осуществления расплавленный сплав выливают в тигель или ковш при очень высокой температуре, с углеродом, растворенным в форме AlC. В одном варианте осуществления температура расплавленного сплава составляет по меньшей мере примерно 2000°C.
4
3
На втором этапе расплавленный сплав охлаждают. По мере охлаждения расплавленного сплава AlC застывает и выпадает в осадок. В одном варианте осуществления расплавленный сплав охлаждают до температуры от примерно 700°C до примерно 900°C. В одном варианте осуществления смешанный сплав охлаждают путем добавления твердого и/или жидкого алюминия. В одном варианте осуществления охлаждающий алюминий является твердым и/или жидким скрапом приемлемого состава.
На третьем этапе в расплавленный сплав добавляют тонко распределенный газ. В одном варианте осуществления газ распределяют через расплавленный сплав с помощью трубчатого барботера, или ротационного диспергатора, или пористого диффузора при температуре от примерно 700°C до примерно 900°C. В другом варианте осуществления действие газа обеспечивает эффект флотации при переносе твердых частиц от алюминия, причем твердые частицы поднимаются на поверхность. В одном варианте осуществления ротационный диспергатор представляет собой прямолопастную турбину с множеством лопастей и полным диаметром, составляющим 40-60% от размера технологического тигля или ковша. В другом варианте осуществления диспергатор вращается со скоростью 100-250 оборотов в минуту. В другом варианте осуществления флотационный газ нагнетается через вращающееся уплотнение в полый вал диспергатора, выходя под нижней поверхностью турбины.
2
2
2
4
3
3
2
Подходящие типы газов, которые могут применяться в настоящем изобретении, включают, без ограничений, инертные газы, такие как аргон, диоксид углерода или азот, или смесь инертных газов с химически активным газом, таким как Cl. В одном варианте осуществления аргон смешивают с примерно 2-10 об.% Cl. В одном варианте осуществления аргон смешивают с 5 об.% газообразного Cl. В одном варианте осуществления изобретения эффективная скорость потока газа, необходимая для отделения алюминия от выпавшего AlC, составляет примерно 5 см/мин на см площади поперечного сечения тигля. В одном варианте осуществления время диспергирования газа составляет примерно 20-30 минут. В другом варианте осуществления количество газа изменяется в зависимости от количества расплавленного сплава.
На четвертом этапе обезуглероженный алюминий затем удаляют из технологического тигля или ковша. В одном варианте осуществления алюминий декантируют в сборник, такой как изложница.
Необязательно, твердые частицы, которые остаются в технологическом сосуде, затем удаляют и хранят до будущего возврата в карботермическую печь.
2
Таблица 1 ниже показывает количество извлеченного алюминия для пяти примеров, в которых диапазон степени извлечения алюминия варьируется от 62% до 96%. Полученный алюминий содержал менее 600 ч/млн углерода. Газ, использованный в таблице 1, состоит из 95% аргона и 5% Cl по объему.
Таблица 1
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Исходная загрузка, кг
1,0-1,5
10-16
50,9
50,9
50,9
Исходный углерод, вес.%
1,3-3,2
1,1-4,2
Температура расплава, °C
750
750-800
774
774
774
Извлеченный алюминиевый продукт, вес.%
96,ротором
95, ротором
92,6, ротором
90,6, ротором
62,0, ротором
Содержание углерода в извлеченном алюминиевом продукте, ч/млн
менее 100
менее 600
11,6
26,3
22,0
Пример 1
2
В примере 1 расплавы имели вес приблизительно 1 кг. Состав алюминий-углеродного сплава содержал от примерно 1,3 до примерно 3,2% углерода. Составы охлаждали и затем газообразные смеси из 95% аргона и 5% Cl тонко распределяли ротором в составах сплава при температуре 750°C. В этом случае степень извлечения алюминия составляла 96% или выше, и полученный алюминий содержал менее 100 ч/млн углерода и менее 100 ч/млн хлоридов.
Пример 2
2
В примере 2 расплавы имели вес приблизительно 10-16 кг. Состав алюминий-углеродного сплава содержал от примерно 1,1 до примерно 4,2% углерода. Составы охлаждали, и затем газообразные смеси из 95% аргона и 5% Cl тонко распределяли ротором в композициях сплава при температуре 750-800°C. В этом случае степень извлечения алюминия составляла 95% или выше, и полученный алюминий содержал менее 600 ч/млн углерода.
Следует отметить, что извлечение алюминия является функцией исходного содержания углерода в расплавленном сплаве. Степень извлечения снижается при повышении содержания углерода. На основе экспериментальных результатов получено, что степень извлечения снижается примерно на 4-5% на каждый процент увеличения содержания углерода.
Пример 3
2
4
3
В примере 3 50,9 кг неочищенного карботермического сплава было добавлено в 50,9 кг расплавленного алюминия, содержащегося в глиняно-графитном тигле диаметром 15,5 дюйма (39,4 см) и глубиной 23,25 дюйма (59 см) при 774°C. Карботермический сплав утапливали механически, используя стальные инструменты. Графитовый ротор диаметром 6" (15,24 см) с 9 зубами, равномерно распределенными по окружности, погружали в расплавленную смесь. Этот ротор был соединен с графитовой трубкой диаметром 3 дюйма (7,62 см). Смесь газов Ar-5% Cl подавали через вал и распределяли в расплавленной смеси путем вращения блока вал/ротор с частотой 350 об/мин. В течение 30-минутной обработки этой газовой смесью твердые материалы на поверхности расплавленной смеси сплавов постоянно вдавливалась под поверхность механическим трамбованием. После завершения обработки ротор удаляли из металла и толстый слой шлака, который собрался на поверхности, удаляли. Следует отметить, что этот шлак содержал частицы AlC, оксид алюминия, оксикарбиды алюминия и немного увлеченного металлического алюминия. Полученный в результате металлический продукт затем вручную удаляли из тигля стальным ковшом. Всего в результате этой операции было удалено 77,3 кг металла. Удаленный шлак впоследствии обрабатывали на отдельном этапе путем погружения в расплавленную солевую ванну (50% NaCl-50% KCl), чтобы извлечь металл, оставшийся в шлаке. На этом этапе из шлака было удалено в сумме 2,1 кг металла. Было рассчитано, что полное извлечение металла на операции ошлаковывания составило [(77,3-50,9)/(77,3-50,9+2,1)]*100=92,6%. Содержание углерода в алюминии, отобранном из процесса, по результатам анализа составило 11,6 ч/млн.
Пример 4
В примере 4 50,9 кг неочищенного карботермического сплава добавляли к 50,9 кг расплава алюминия при 774°C. Расплавленную смесь обрабатывали, используя тот же способ, что и в примере 3, за исключением того, что обрабатывающим газом был чистый аргон. Хлор в этом примере не использовался. Всего из процесса было отобрано 74,0 кг алюминия. Дополнительные 2,4 кг алюминия были извлечены из шлака, что дало полную степень извлечения металла 90,6%. Содержание углерода в алюминии, извлеченном в процессе, составило 26,3 ч/млн.
Пример 5
В примере 5 50,9 кг неочищенного карботермического сплава добавляли к 50,9 кг расплава алюминия при 774°C. Расплавленную смесь обрабатывали, используя тот же способ, что и в примере 4, за исключением того, что в течение всего процесса материалы, плавающие на поверхности, не утапливали механически путем трамбования. В этом примере трамбования не проводилось. Всего из процесса в этом примере было отобрано 64,0 кг алюминия. Дополнительные 8,0 кг алюминия были извлечены из шлака, что дало полную степень извлечения металла 62,0%. Содержание углерода в алюминии, извлеченном в процессе, составило 22,0 ч/млн.
Примеры 3, 4 и 5 показывают, что неочищенный карботермический сплав, содержащий приблизительно 3,5% углерода, можно очистить, используя процесс ошлаковывания, для получения приемлемого для торговли сплава с содержанием углерода меньше 30 ч/млн. Сравнение примеров 3 и 4 показывает, что процесс ошлаковывания можно применять с или без хлора в ошлаковывающем газе. Сравнение примера 5 с примерами 3 и 4 показывает, что трамбование в процессе ошлаковывания существенно улучшает извлечение. Без трамбования степень извлечения составляла 62%, а когда применялось трамбование, степень извлечения повышалась более чем до 90%.
Хотя были подробно описаны частные варианты осуществления изобретения, специалисты в данной области должны понимать, что в свете общих идей изобретения можно разработать различные модификации и альтернативы этим деталям. Соответственно понимается, что раскрытые частные конфигурации являются лишь иллюстративными и не ограничивают объем изобретения, полная ширина которого задается приложенной формулой и всеми без исключения ее эквивалентами.