Способ получения алюминия из его оксида

 

Способ получения алюминия из его оксида включает формирование реакционного объема расплава на основе фторидов металлов, наложение на расплав электрического тока, загрузку шихты, содержащей оксид алюминия, восстановление алюминия и его удаление из реакционного объема. На расплав накладывают переменный электрический ток, алюминий восстанавливают при температуре 1000 - 1100^oC, а восстановителем служит углерод графитовых электродов, при этом в качестве фторидов металлов используют криолит. При осуществлении способа исключается образование карбида и оксикарбидов алюминия и использование постоянного тока. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению алюминия из его оксида в виде сплава алюминия с кремнием и может быть использовано для производства силикоалюминия (силумина).

Известна реакция восстановления оксида алюминия углеродом Al₂O₃ + 3C ---> 2Al + 3CO. (1) Изменение термодинамического потенциала реакции, рассчитанное по данным [1] и [2], составляет ΔG⁰_T = 321519-139,81T кал, отсюда ΔG⁰_T < 0 и соответственно lgKp>1 при T>2299 K (2026^oC). Теоретически восстановление оксида алюминия углеродом начинается при температуре свыше 2299 K (2026^oC), но получение чистого алюминия электротермическим путем считается невозможным из-за образования карбида алюминия Al₄C (при температурах 1500-2000 K) и оксикарбидов алюминия: Al₄O₄C (образуется при 1873 K) и Al₂OC (образуется при 2273 K).

Известен электротермический способ получения алюминия в виде его сплава с железом (ферроалюминия) путем восстановления оксида алюминия углеродом в присутствии железа [3].

В известном способе шихта для получения ферроалюминия состоит из оксида алюминия в виде электрокорунда (91-96% Al₂O₃; 1-3% SiO₂; 1-2% TiO₂; ~0,5% MgO; 0,8-3% CaO), коксика (13% золы) и стальной стружки. Восстановление оксида алюминия углеродом коксика осуществляют при температурах 1600-2000^oC. При восстановлении Al₂O₃ углеродом в присутствии жидкого железа восстановленный алюминий растворяется в нем, обеспечивая протекание реакции Al₂O₃ + 3C + Fe ---> 2[Al]_Fe + 3CO. (2) Присутствие железа, с одной стороны, обеспечивает образование раствора Al-Fe, уменьшая активность алюминия и снижая температуру восстановления оксида алюминия, с другой стороны, образование карбида и оксикарбидов алюминия не получает развития, так как они хорошо разрушаются железом.

Недостатками известного способа восстановления оксида алюминия углеродом являются высокая температура процесса и необходимость использования коксика.

Известен электротермический способ получения алюминия в виде его сплава с кремнием (силикоалюминия) путем совместного восстановления углеродом оксидов алюминия и кремния [4].

В известном способе шихта для получения силикоалюминия состоит из глинозема (Al₂O₃), кварцита (SiO₂) и муллита (3Al₂O₃·2SiO₂), в качестве восстановителя используют газовый уголь и нефтяной кокс. Восстановление оксида алюминия углеродом осуществляют при температурах свыше 2000^oC.

Недостатком электротермического способа получения алюминия являются высокие (свыше 2000^oC) температуры процесса и связанная с этим необходимость использования громоздких и сложных рудовосстановительных печей.

Известен способ получения алюминия из глинозема в электролизере, включающий растворение глинозема в расплаве криолита (1-8%) при температуре 960-970^oC, наложение на расплав постоянного тока (2-2,5 В, 70-160 кА) и последующее осаждение алюминия на углеродистой подине, играющей роль катода, с одновременным выделением кислорода на электроде, играющем роль анода [5].

В известном способе разделение молекулы Al₂O₃ на катион Al³⁺ и анион O^2- происходит электрохимическим путем с участием молекулы AlF₃ [6].

Недостатком известного способа является необходимость использования для восстановления алюминия из глинозема постоянного тока и как следствие высокий расход электроэнергии (на производство 1 т алюминия затрачивается 14000-18000 кВт·ч, что составляет ~30% себестоимости алюминия).

Известен способ, принятый за прототип, получения алюминия в виде его сплава с кремнием (силумина), включающий электролиз алюминийкремнеземсодержащего сырья в расплаве криолита, отличающийся тем, что в качестве сырья используют золу ТЭЦ после сжигания бурых углей [7].

В известном способе совместное восстановление оксидов алюминия и кремния осуществляют при температуре около 1000^oC путем электролиза растворов этих оксидов в расплаве криолита при наложении на расплав постоянного тока.

Недостатком известного способа является необходимость использования для восстановления оксида алюминия постоянного тока.

Задачей изобретения является получение алюминия из его оксида путем электротермического восстановления оксида алюминия, с одной стороны, исключающего образование карбида и оксикарбидов алюминия, с другой стороны, исключающего использование постоянного тока.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения алюминия из его оксида, включающем формирование реакционного объема расплава на основе фторидов металлов, наложение на расплав электрического тока, загрузку шихты, содержащей оксид алюминия, восстановление алюминия и его удаление из реакционного объема, согласно изобретению на расплав накладывают переменный электрический ток, алюминий восстанавливают при температуре 1000-1100^oC, а восстановителем служит углерод графитовых электродов, при этом в качестве фторидов металлов используют криолит.

Способ осуществляется следующим образом.

В ванну руднотермической электропечи, футерованную углеродистой массой или графитовыми блоками, загружают криолит, расплавляют его в дуговом режиме и в руднотермическом режиме доводят до жидкотекучего состояния. Затем в ванну печи загружают шихту, состоящую из смеси оксидов алюминия и кремния. Графитовые электроды, погруженные в расплав, восстанавливают растворенные в расплаве криолита оксиды алюминия и кремния, при этом образующийся металлический сплав опускается на подину печи.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Для эксперимента использовалась двухэлектродная (диаметр электродов - 50 мм) лабораторная руднотермическая электропечь, запитанная на однофазный трансформатор ОСУ-100/05 мощностью 100 кВА, имеющая ванну площадью 0,06 м², футерованную графитовыми пластинами. Эксперимент проводился по схеме, известной для электролитического получения алюминия, с той лишь разницей, что в данном случае использовался переменный электрический ток частотой 50 Гц. Напряжение низкой стороны составляло 50 В, сила тока - 1000-1200 А.

В ванну печи первоначально загрузили 50 кг криолита, расплавили его открытой дугой и в руднотермическом режиме довели до жидкотекучего состояния. Затем в ванну печи загрузили 11 кг перлита следующего химического состава, %: SiO₂ - 65-76; Al₂O₃ - 12-16; FeO ≅ 3,0; CaO ≅ 3,0; Na₂O + K₂O > 3-10.

Электроплавку вели 36 ч при температуре 1050-1100^oC, понемногу добавляя криолит. В результате плавки было получено 0,07 кг сплава следующего химического состава, %: Al - 89,0; Si - 8,7; Fe - 2,0; C - 0,3.

По результатам проведенной восстановительной электроплавки можно сделать следующие выводы.

1. Через расплав пропускался переменный ток частотой 50 Гц, поэтому электролиз в обычном понимании этого процесса (при наложении на расплав постоянного тока) не осуществлялся - имело место карботермическое восстановление оксидов алюминия, кремния и железа.

2. Восстановителем служили графитовые электроды - из расплава в приэлектродном пространстве постоянно вырывались языки пламени от сгоравшего оксида углерода.

3. Первым, естественно, восстанавливался кремний, но не переходил в жидкую фазу (температура плавления кремния составляет 1412^oC). Поэтому восстановленный кремний дисперсно рассеивался в шлаке (криолите).

4. В полученном сплаве кремния оказалось столько, сколько его захватили частицы жидкого восстановленного алюминия (T_пл = 660^oC), который, восстанавливаясь, сам служил восстановителем для кремния, вследствие чего металлической фазы алюминия оказалось небольшое количество.

5. При рентгенофазовом анализе проб шлака не удалось выделить металлическую фазу кремния - вероятно, из-за того, что размер частиц кремния составляет менее 0,005 мм (полученная картина соответствовала аморфной фазе, содержание которой достигало 40%). Общий анализ шлака на кремний не проводился из-за невозможности вычленения металлической фазы.

6. По данным химического анализа углерод присутствует в сплаве в виде карбида железа. Также в сплаве присутствует металлический алюминий и сплав алюминия и кремния. Оксикарбиды алюминия Al₄O₄C и Al₂OC в сплаве не обнаружены.

Таким образом, по предлагаемому способу можно осуществлять низкотемпературное карботермическое восстановление алюминия из его оксида с получением алюминия в виде его сплава с кремнием.

Источники информации 1. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия.- М.: Металлургия, 1982, c. 312.

2. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. - М.: Металлургия, 1988, c. 512.

3. Там же, c. 510-520.

4. Там же, c. 522-529.

5. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. - М.: Металлургия, 1979, c. 467-470.

6. Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей. - М.: Металлургия, 1966, c. 375.

7. Способ производства силумина. Патент РФ N 2065510, кл. C 25 C 3/36 по заявке N 93042444/02 от 26.08.93 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ получения алюминия из его оксида, включающий формирование реакционного объема расплава на основе фторидов металлов, наложение на расплав электрического тока, загрузку шихты, содержащей оксид алюминия, восстановление алюминия и его удаление из реакционного объема, отличающийся тем, что на расплав накладывают переменный электрический ток, алюминий восстанавливают при температуре 1000 - 1100^oC, а восстановителем служит углерод графитовых электродов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фторидов металлов используют криолит.