Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению алюминия из металлургического глинозема.

Известен промышленный способ Эру-Холла - электролиз криолит-глиноземных расплавов, по которому выпускается весь первичный алюминий [Минцис М.Я. Электрометаллургия алюминия / М.Я. Минцис, П.В. Поляков, Г.А. Сиразутдинов. Новосибирск: Наука. 2001. 368 с.]. Несмотря на долгий срок применения данной технологии, она имеет ряд недостатков: низкий энергетический КПД 40-50%; высокий расход электроэнергии (13-17 кВт·ч/кг Al); загрязнение окружающей среды; высокие материальные и трудозатраты.

Известен усовершенствованный способ получения алюминия по технологии Эру-Холла (патент US 6126799, опубл. 10.03.2000), в котором используют электролизеры с металлическим электродами, покрытыми керамическим оксидом, обладающим проводимостью по иону кислорода. При электролизе с таким анодом ионы кислорода проходят через оксидный слой и разряжаются на металлической основе. За исключением благородных металлов не было найдено ни одного индивидуального металла, пригодного для использования в качестве инертного анода, а основами для создания материала металлического инертного анода выбирались железоникелевый сплав (Fe-Ni) по патенту US 5006209 и алюминиевая бронза.

Основным недостатком металлических анодов является их быстрая растворимость в криолит-глиноземном расплаве и загрязнение первичного алюминия. Образующиеся на поверхности металлического электрода оксидные пленки, образующиеся в результате коррозии, повышают электрическое сопротивление на поверхности электрода. Сохранность слоя может быть обеспечена только при высокой активности ионов кислорода (O^2-) в прианодном слое электролита, что особенно сложно осуществить при низких (700-900°C) температурах, когда растворимость глинозема низка и активность ионов кислорода резко изменяется. Снижение температуры электролита за счет дорогостоящих модифицирующих добавок, в свою очередь, необходимо для снижения растворимости оксидного слоя анода.

Известен усовершенствованный способ получения алюминия (патент US 3960678, опубл. 01.08.1976) с анодами с полупроводниковыми оксидами с электронной проводимостью и кислородом, выделяющимся прямо на поверхности оксида. Наибольшее распространение в этой группе получили аноды на основе ферритов никеля (NiFe₂O₄), разработанные компанией Alcoa, и оксида олова (SnO₂), предложенные к испытаниям. Основным достоинством керамики является ее низкая растворимость в криолит-глиноземном расплаве.

Основным недостатком является низкий срок службы анодов, а промышленному внедрению керамики мешают низкая механическая прочность массивных образцов, особенно при высоких температурах, и сложность изготовления надежных токоподводящих контактов. Представляет большую опасность и возможность восстановления оксидов до металла растворенным алюминием в случае остановки.

Из альтернативных способов известны способы карботермического восстановления алюминия из его оксида, исследования, проведенные компаниями Alcan, Pechiney, Hydroaluminum. Наибольший прогресс в разработке карботермического способа (патент RU 2301842 C2, опубл. 27.06.2007) достигнут в результате совместных работ компаний Alcoa и Elcem. В печи карботермического восстановления, применяемой для получения алюминия, используют полую разделительную перегородку для подачи углеродного материала в протекающий под ней поток. Эта перегородка разделяет низкотемпературную реакционную зону, где проводят реагирование оксида алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия, и высокотемпературную реакционную зону, где проводят реагирование карбида алюминия и оставшегося оксида алюминия с образованием алюминия и оксида углерода. Изобретение обеспечивает возможность подачи дополнительного углеродсодержащего материала в реактор и его равномерного распределения, возможность исключения локализованного перегрева ванны шлака и снижение уноса алюминия.

Основными недостатками, связанными с процессом карботермического способа, являются незначительный выбор материалов, стойких к воздействию жидкого оксикарбидного расплава и газов при температуре до 2100°C, трудности эффективного регулирования и поддержания высокой рабочей температуры, невозможность обеспечения чистоты металла из-за примесей в нефтяном коксе и неполная декарбонизация полученного алюминия.

Известен хлоридный способ производства алюминия (патент US 3893899, опубл. 07.08.1975). В нем в качестве сырья используется AlCl₃, растворенный в расплавленных хлоридах щелочных металлов. Проведение процесса возможно при низких температурах электролиза (~700°C). Преимуществами такого способа являются высокие плотности тока, т.к. в расплаве присутствует только один вид анионов, способных окисляться на аноде, отсутствие окисления хлором угольных анодов, что делает их нерасходуемыми.

К недостаткам способа относят необходимость в производстве и транспортировке чистого обезвоженного AlCl₃. Содержание оксидов и гидроксидов должно быть низким, чтобы избежать окисления графитовых электродов и накопления шлама оксихлоридов, которые малорастворимы в хлоридном электролите. Высокие парциальные давления паров различных компонентов электролита, поэтому требуется очистка хлора, выделяемого при электролизе, от паров электролита и возврат уловленных хлоридов в электролизер. Наиболее эффективная попытка внедрения процесса была сделана компанией Alcoa. Несмотря на высокую производительность (около 13 т Al/сут) для одного электролизера и низкий удельный расход электроэнергии (около 9 кВт·ч/кг Al, без учета расхода энергии на процесс хлорирования), метод имеет несколько сложных технических проблем, которые до сих пор исключают его коммерческое применение.

Известно альтернативное получение алюминия из его сульфида (патент NL 20080202939, опубл. 28.08.2008). Безводный высокочистый сульфид алюминия получают из глинозема, далее электролитическим способом разлагают на алюминий и серу в многополярной ванне. При выходе по току в 90% удельный расход электроэнергии составит всего 5,24 кВт·ч/кг Al.

Главным недостатком является необходимость в производстве и создании отдельно технологического передела для получения очень чистого Al₂S_3, это делает технологию промышленно нереализуемой, также существует сложность самого агрегата.

Известен способ получения алюминия электролизом расплава (патент RU 2415973 C2, опубл. 10.04.2011). Способ включает электролиз расплава KF-NaF-AlF₃ с добавками Al₂O₃ при температуре электролита 700-900°C и поддержание криолитового отношения (KF+NaF)/AlF₃ от 1,1 до 1,9. Электролиз ведут при анодной плотности тока не более 1,0 А/см² и катодной плотности тока не более 0,9 А/см². Обеспечивается увеличение производительности с одновременным снижением удельного расхода электроэнергии и удешевлением известного способа электролитического получения алюминия и низкая скорость коррозии электродных материалов, в частности инертных анодов. Температура электролиза при их использовании не превышает 150°C, что снижает требования к материалам электролизера, корректировке состава электролита, уменьшает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Недостатком способа является высокая стоимость электролита, невозможность прямого использования в качестве сырья глинозема, низкие плотности тока снижают экономическую конкурентоспособность процесса. Участвующие в процессе электролиза ионы калия существенно снижают значение выхода по току.

Известен принятый в качестве прототипа способ извлечения металлов из металлосодержащих катализаторов на основе оксидов алюминия или кремния в плазменных печах (патент RU 2075526, опубл. 20.03.1997), включающий переработку путем плавления катализаторов в смеси с известковыми флюсами и(или) глиноземом с использованием плазменно-дугового нагрева при температуре 1600-1650°C подачей углеродсодержащего восстановителя и железа с последующей продувкой полученного расплава нейтральным газом.

Недостатком способа извлечения является разрушение электродов при высоких температурах электродуговой плавки. Взаимодействие угольной пыли и осколков с жидким металлом ведет к возникновению обратных термических реакций с образованием карбидов. Процесс энергоемкий и экономически невыгодный, требует применения дорогостоящих огнеупорных материалов для футеровки. Для извлечения металла требуется полный слив печи и временная остановка процесса.

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение существующего способа получения алюминия и снижение материальных и энергетических затрат на его производство при высоких технико-экономических показателях процесса и экологичности процесса.

Технический результат достигается тем, что алюминий получают путем плавления непрерывно поступающего глинозема в расплаве жидкого электрокорунда при плазменно-дуговом нагреве в реакторе в интервале температур 1300-1500°C со степенью вакуумирования 1,1-1,3·10^-4 Па, с последующим осаждением первичного алюминия на поверхности электрокорунда в электроосадительной камере путем пропускания через расплав постоянного тока 150-200 А и его рафинированием. При этом жидкий алюминий осаждают и собирают на поверхности электрокорунда при температуре 850-900°C.

Сущность заявляемого способа пояснена на фиг.1.

В реакционном пространстве высокотемпературной печи с углеродной системой нагрева и теплоизоляции, которая имеет двойной водоохлаждаемый корпус 1, создается вакуум до давления остаточных защитных газов 100-150 Па с помощью одновременной работы диффузионного вакуумного насоса 3 и форвакуумного насоса 4. Глинозем загружается на поверхность расплава при помощи дозатора 2. Затем проводится равномерный нагрев глинозема до получения расплава белого электрокорунда. Для нагрева и плавления порций глинозема используется плазменная дуга плазмотрона 5 на постоянном токе «прямой полярности». Необходимым условием стабильности электрической дуги является наличие источника питания, обладающего специальными характеристиками. Образовавшийся расплав заполняет электроосадительную камеру 6, перетекая за диафрагму-перегородку 7. Первичный алюминий осаждают на поверхности электрокорунда путем пропускания через расплав постоянного тока 150-200 А посредством углеграфитовых анода 8 и катода 9. Жидкий алюминий 10 находится на поверхности расплава, выполняя функцию катода, при достижении расчетного уровня через литниковую систему посредством верхнего слива 11 направляется в рафинировочную камеру 12 на очистку.

Наиболее рациональным с точки зрения перерабатываемого объекта методом извлечения металлического алюминия из оксида алюминия является плазменно-дуговой нагрев. При этом в заявляемых условиях глинозем представляет собой расплав белого электрокорунда. Температура плавления глинозема при степени вакуумирования - 1,1-1,3·10^-4 Па снижается до 1300-1500°C. Полученный расплав электрокорунда перетекает по принципу сообщающегося сосуда в электроосадительную камеру через разделительную диафрагму-перегородку. При прохождении электрического тока через расплав на поверхности раздела в камере происходит электрохимическое восстановление ионов с образованием алюминия.

В межэлектродном зазоре глинозем представляет собой расплав, состоящий из оксида алюминия в аморфном состоянии, с развитой внутренней поверхности которого адсорбируются анионы O^2- и катионы Al³⁺ на электродах. Сверху на поверхности катода идет реакция восстановления алюминия Al³⁺-3e=Al, а на аноде образуется молекулярный кислород O^2--2e=O₂, который транспортируется вверх по поверхности катода.

Жидкий металл находится на поверхности расплава с температурой 850-900°C, поскольку имеет плотность 2,30-2,35 г/см³, а плотность расплава белого электрокорунда составляет 3,70-3,95 г/см³. Алюминий перетекает через сливное отверстие в рафинировочную камеру по мере увеличения уровня.

Пример реализации технического решения

В реакционное пространство вакуумной электропечи загрузили 100 кг глинозема марки Г00. В результате переработки получено 52,7 кг жидкого алюминия марки А5, что соответствует удельному расходному коэффициенту глинозема 1895 кг/т Al по реакции разложения. Как следует из анализа полученных результатов, наилучшие показатели достигаются при поддержании температуры расплава на уровне 1430-1450°C, со скоростью подачи глинозема на поверхность расплава в зоне плавления 5 кг/сек.

Заявляемый способ успешно позволяет решить проблему комплексной экономичной переработки металлургического глинозема с целью извлечения алюминия, снизить расход материалов и электроэнергии, обеспечить экологические требования, предъявляемые процессу.