FR2473557A1 - Carbothermic prodn. of aluminium (alloy) - with separate feed of alumina and reductant giving rapid prod. removal from reaction zone - Google Patents
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Abstract
Description
I'lrlvention concerne la production d'aluminium par réduction carbothermique de alumine comprenant la production d'aluminium en alliage avec d'autres métaux (tels que le silicium) par réduction d'alumine en mélange avec d'autres oxydes (tels que la silice). The invention relates to the production of aluminum by carbothermal reduction of alumina comprising the production of aluminum in alloy with other metals (such as silicon) by reduction of alumina in mixture with other oxides (such as silica ).
On sait depuis au moins vingt ans que l'on peut produire de l'aluminium par réduction carbothermique de l'alumine, par exemple dans un four à arc électrique immergé. Les principes scientifiques impliqués dans la chimie et la thermodynamique des réactions sont maintenant bien connus. Néanmoins, il n'a été établi aueull procédé commercial basé sur ces principes. It has been known for at least twenty years that aluminum can be produced by carbothermic reduction of alumina, for example in a submerged electric arc furnace. The scientific principles involved in the chemistry and thermodynamics of reactions are now well known. However, no other commercial process has been established based on these principles.
:li est bien connu que la réduction de l'aluminium par le carta-er quand elle s'opère sous pression réduite, passe par la formation de produits intermédiaires, oxycarbure d'aluminium et carbure d'aluminium :
2 Al.203 + 3 C = A1404C + 2 CO (g) (1)
Al404C + 6 C = A14C3 + 4 CO (g) (2)
En dessous de 19000C, tous les réactifs et produits, à part le CO, sont des solides. Afin d'arriver à une pression d'équilibre du gaz de 1 kg/cm, toutefois, il faut des températures d'environ 20000C, le mélange réactionnel entre partiellement en fusion, et les équations simples (I) et (2) ne sont plus directement applicables. De même, l'étape finale, produisant le métal peut s'écrire
Al4O4C + Al4C3 = 8 Al (1) + 4 CO (g) (3).: It is well known that the reduction of aluminum by the carta-er when it takes place under reduced pressure, passes through the formation of intermediate products, aluminum oxycarbide and aluminum carbide:
2 Al.203 + 3 C = A1404C + 2 CO (g) (1)
Al404C + 6 C = A14C3 + 4 CO (g) (2)
Below 19000C, all reagents and products, except CO, are solids. In order to arrive at an equilibrium gas pressure of 1 kg / cm, however, temperatures of about 20000C are required, the reaction mixture partially melts, and the simple equations (I) and (2) are not more directly applicable. Likewise, the final step, producing the metal can be written
Al4O4C + Al4C3 = 8 Al (1) + 4 CO (g) (3).
La pression d'équilibre du gaz, calculée pour cette réaction se monte à 1 kg/cm, à environ 2100 C. Dans un four de réduction que l'on fait fonctionner à la pression atmosphérique, la zone réactionnelle doit être maintenue à une température au moins suffisante pour donner une pression d'équilibre de CO égale à 1 kg/cm2. Si l'on admet une certaine surpression pour entraîner la réaction, cela signifie dans le cas présent une température de 21500C environ. A cette température, le système est constitué de carbone solide plus deux liquides, c'est-à-dire un oxydecarbure en fission et une partie métallique en fusion.L'équation (3) n'est pas applicable, et la réaction produisant le métal peut entre écrite schématique
(Oxyde-carbure en fusion) + C(s) = (métal en fusion) + CO(g) (4).The equilibrium pressure of the gas, calculated for this reaction amounts to 1 kg / cm, at around 2100 C. In a reduction oven which is operated at atmospheric pressure, the reaction zone must be maintained at a temperature at least sufficient to give a CO equilibrium pressure equal to 1 kg / cm2. If a certain overpressure is allowed to cause the reaction, this in this case means a temperature of around 21500C. At this temperature, the system consists of solid carbon plus two liquids, that is to say an oxide-carbon in fission and a metallic part in fusion. Equation (3) is not applicable, and the reaction producing the metal can between written schematic
(Molten oxide-carbide) + C (s) = (molten metal) + CO (g) (4).
il se forme aussi, concurremment avec la production de monoxyde de carbone et de produits condensés, des substances volatiles entraînant de l'aluminium, A120 (g) et Al (g). Dans les premières étapes de la réaction formulées par les équations (1) et (2), les pressions d'équilibre de A120 et Al se montent seulement à un faible pourcentage de la pression d'équilibre de CO. it also forms, concurrently with the production of carbon monoxide and condensed products, volatile substances causing aluminum, A120 (g) and Al (g). In the first stages of the reaction formulated by equations (1) and (2), the equilibrium pressures of A120 and Al amount only to a small percentage of the equilibrium pressure of CO.
Dans l'étape finale, représentée par les équations (3) ou (4), les proportions de A120 et Al dans l'équilibre gazeux sont plus élevées mais non excessives. il a toutefois été montré que la réaction entre l'alumine et le carbone s'opère par l'intermédiaire.In the final step, represented by equations (3) or (4), the proportions of A120 and Al in the gas equilibrium are higher but not excessive. however, it has been shown that the reaction between alumina and carbon takes place via.
d'un mécanisme qui implique une phase gazeuse, avec une forte proportion d'A120 et d'Al ; il s'ensuit que les pertes par volatilisation sont plus importantes que ce que l'on attendait des équilibres. De plus, la masse métallique en fusion a une densité plus faible que celle de la masse oxyde-carbure en fusion, et par suite flotte sur cette dernière. Le oe gazeux dégagé par la réaction (4) doit traverser le métal en fusion, ce qui augmente encore les pertes par volatilisation.a mechanism that involves a gas phase, with a high proportion of A120 and Al; it follows that the volatilization losses are greater than what was expected from the equilibria. In addition, the molten metal mass has a lower density than that of the molten oxide-carbide mass, and consequently floats on the latter. The gas released by the reaction (4) must pass through the molten metal, which further increases the losses by volatilization.
Il y a lieu de faire remarquer que la volatilisation d'Al et A120 à partir de la zone chaude n'entrasse pas nécessairement une perte de métal. Dans un four à arc immergé, les gaz réactionnels remontent à travers des couches de charge plus froide où les vapeurs de métal entrainées peuvent se condenser, en même temps qu'elles assurent un préchauffage de la charge. Toutefois, si la fraction de vapeurs de métal dans le gaz est élevée, la charge monte à une température trop élevée, et il se produit des pertes par volatilisation. It should be noted that the volatilization of Al and A120 from the hot zone does not necessarily entail a loss of metal. In a submerged arc furnace, the reaction gases rise through layers of cooler charge where the entrained metal vapors can condense, at the same time as they provide preheating of the charge. However, if the fraction of metal vapors in the gas is high, the charge rises to too high a temperature, and volatilization losses occur.
Une difficulté supplémentaire, dans la production carbothermique de l'aluminium, est causée par l'importante solubilité du carbone dans le métal à la température de réaction, environ 20 % atomique de carbone quand la masse métallique en fusion est en équilibre avec le carbone solide. Quand la masse métallique en fusion se refroidit, ce carbone précipite sous la forme de carbure d'aluminium. On se rend compte, d'après l'équation
(12 Al + 3C, mélange en fusion) = A14C3(s) + 8 Al(l) (5) qu'environ un tiers de la quantité de métal est précipitée sous la forme de carbure. il est par suite nécessaire d'opérer une étape de séparation subséquente, ce qui constitue un inconvénient économique. An additional difficulty in the carbothermal production of aluminum is caused by the high solubility of carbon in the metal at the reaction temperature, about 20 atomic% of carbon when the molten metal mass is in equilibrium with solid carbon. . When the molten metal mass cools, this carbon precipitates in the form of aluminum carbide. We realize, from the equation
(12 Al + 3C, molten mixture) = A14C3 (s) + 8 Al (1) (5) that approximately one third of the quantity of metal is precipitated in the form of carbide. it is therefore necessary to operate a subsequent separation step, which constitutes an economic disadvantage.
Une autre difficulté que l'on rencontre dans la réduction carbothermique de l'alumine dans un four à arc immergé concerne l'introduction de l'énergie et le transfert de chaleur. Comme on l'a exposé ci-dessus, la masse métallique fondue flotte en surface et se trouve directement sous les électrodes. En raison de la grande conductivité électrique du métal, la résistance dans le circuit du four est faible, et on constate des difficultés pour entretenir une introduction adéquate d'énergie dans le four. Another difficulty encountered in the carbothermic reduction of alumina in a submerged arc furnace concerns the introduction of energy and the transfer of heat. As explained above, the molten metal mass floats on the surface and is located directly under the electrodes. Due to the high electrical conductivity of the metal, the resistance in the oven circuit is low, and there are difficulties in maintaining an adequate introduction of energy into the oven.
De plus la création de chaleur se produit d'une façon prédominante sur la surface du métal, ce qui fait que le métal est porté à une très haute température et qu'il se produit une évaporation importante. Ce métal retourne bien dans la zone chaude où il est à nouveau évaporé dans la mesure où il se condense dans la charge qui se trouve au-dessus de la masse en fusion. Le résultat net de ce cycle opératoire de vaporisation et de condensation est qu'une importante fraction de la chaleur engendrée est transférée en remontant verticalement dans le four, au lieu d'être conduite vers le bas, vers la masse en fusion d'oxyde-carbure, où cette chaleur est nécessaire pour la réaction endothermique (4).In addition, heat creation occurs predominantly on the surface of the metal, which means that the metal is brought to a very high temperature and that there is significant evaporation. This metal returns well in the hot zone where it is again evaporated insofar as it condenses in the charge which is above the molten mass. The net result of this vaporization and condensation operating cycle is that a large fraction of the generated heat is transferred upward in the furnace, instead of being driven downward, to the molten mass of oxide- carbide, where this heat is necessary for the endothermic reaction (4).
Pour des considérations thermodynamiques, on peut conclure que la réduction d'un mélange d'alumine et de silice qui produira un alliage d'aluminium et de silicium sera plus favorable que la réduction d'alumine seule en ce qui concerne la température de réaction et les pertes de vapeur, principalement en raison de la diminution de l'activité de l'aluminium et du silicium dans leur alliage à l'état liquide. La densité du silicium est toutefois encore plus basse que celle de l'aluminium, et les difficultés causées par le fait qu'il existe une couche de métal qui surnage règneront aussi dans ce cas. For thermodynamic considerations, it can be concluded that the reduction of a mixture of alumina and silica which will produce an aluminum and silicon alloy will be more favorable than the reduction of alumina alone with regard to the reaction temperature and vapor losses, mainly due to the decrease in the activity of aluminum and silicon in their alloy in the liquid state. The density of silicon is however even lower than that of aluminum, and the difficulties caused by the fact that there is a layer of metal which floats will also prevail in this case.
Les difficultés rencontrées dans la réduction de l'alumine dans un four à arc immergé courant et décrites ci-dessus sont évitées par le procédé de l'invention caractérisé par les dispositions suivantes
Le carbone (coke) nécessaire pour la réduction est fourni à la zone de réaction en venant par une voie séparée de celle par où arrivent les oxydes que l'on doit réduire.The difficulties encountered in reducing alumina in a common submerged arc furnace and described above are avoided by the process of the invention characterized by the following arrangements
The carbon (coke) necessary for the reduction is supplied to the reaction zone by coming via a route separate from that by which the oxides which are to be reduced arrive.
Ce carbone est fourni, en continu ou par intermittence, par un mouvement ascendant, verticalement ou suivant un angle s'ouvrant vers le haut
Le gaz produit par les réactions est transmis vers le bas en passant à travers le carbone. This carbon is supplied, continuously or intermittently, by an upward movement, vertically or at an angle opening upwards.
The gas produced by the reactions is transmitted downward through the carbon.
L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexes représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels
- la figure l est un dessin schématique illustrant les caractéristiques essentielles du procédé,
- la figure 2 montre une coupe verticale d'un mode de réalisation recommandé de l'invention,
- la figure 3 est une vue en coupe suivant A-A de la figure 2,
Le procédé suivant l'invention est exposé ci-dessous avec référence à la figure 1. L'agent réducteur, sous forme de coke métallurgique (1), est fourni par le bas, et effectue un mouvement ascendant, comme il est indiqué par la flèche inférieure.The invention will be better understood with reference to the description below and to the accompanying drawings showing an embodiment of the invention, drawings in which
FIG. 1 is a schematic drawing illustrating the essential characteristics of the process,
FIG. 2 shows a vertical section of a recommended embodiment of the invention,
FIG. 3 is a sectional view along AA of FIG. 2,
The process according to the invention is set out below with reference to FIG. 1. The reducing agent, in the form of metallurgical coke (1), is supplied from below, and performs an upward movement, as indicated by the lower arrow.
Les oxydes (2) sont fournis par le haut et descendent par gravité quand s'opère la réaction. La partie supérieure de la construction doit être essentiellement étanche au gaz. L'énergie est fournie au moyen des électrodes (3). L'intervalle qui sépare les électrodes est rempli d'un oxyde électriquement isolant, et la formation de chaleur se produit seulement à la pointe inférieure des électrodes et dans le coke adjacent. L'émission intense de chaleur dans cette zone fait fondre l'oxyde et le fait réagir immédiatement avec le carbone Le produit primaire est un gaz qui a une haute teneur en vapeurs d'Al et d'Al2o, en plus de CO. Ce gaz est contraint à s'écouler vers le bas à travers la charge de carbone ou coke et, par suite se refroidit progressivement.Les vapeurs d'aluminium se condensent alors en aluminium liquide, pendant que le sous-oxyde d'aluminium réagit avec le carbone pour donner de l'aluminium et du monoxyde de carbone.The oxides (2) are supplied from above and descend by gravity when the reaction takes place. The upper part of the construction must be essentially gas tight. Energy is supplied by means of the electrodes (3). The gap between the electrodes is filled with an electrically insulating oxide, and heat formation occurs only at the lower tip of the electrodes and in the adjacent coke. The intense emission of heat in this zone melts the oxide and causes it to react immediately with the carbon. The primary product is a gas which has a high vapor content of Al and Al2o, in addition to CO. This gas is forced to flow downward through the charge of carbon or coke and, consequently, cools progressively. The aluminum vapors then condense into liquid aluminum, while the aluminum sub-oxide reacts with carbon to give aluminum and carbon monoxide.
il se forme ainsi directement l'oxyde-carbure liquide et du métal liquide. Les points de fusion de ces deux phases sont toutefois très différents. La phase oxyde-carbure se solidifie et est retenue dans la charge carbonée à une courte distance en dessous de la zone de réaction pendant que le métal liquide continuera à descendre. liquid oxide-carbide and liquid metal are thus formed directly. However, the melting points of these two phases are very different. The oxide-carbide phase solidifies and is retained in the carbonaceous charge a short distance below the reaction zone while the liquid metal continues to descend.
Le métal liquide qui se forme d'abord à haute température contient du carbone dissous. En passant à travers la charge de carbone, ce métal refroidit progressivement, de sorte que le carbure d'aluminium solide précipite et adhère sur la surface du carbone. A l'extrémité inférieure de la charge carbonée, la température doit être maintenue en dessous de 1000C : à cette température, la solubilité du carbone dans l'aluminium liquide est pratiquement nulle et le métal recueilli à l'extrémité inférieure est pratiquement exempt de carbone. The liquid metal that first forms at high temperature contains dissolved carbon. Passing through the carbon charge, this metal gradually cools, so that the solid aluminum carbide precipitates and adheres to the surface of the carbon. At the lower end of the carbonaceous charge, the temperature must be kept below 1000C: at this temperature, the solubility of carbon in liquid aluminum is practically zero and the metal collected at the lower end is practically free of carbon. .
Pendant le refroidissement graduel du gaz et du métal liquide par la charge de carbone, il peut aussi se produire, dans une certaine mesure, différentes réactions secondaires, telles que la réaction entre le métal liquide et le monoxyde de carbone gazeux, représentée de droite à gauche par la réaction (3), et la réaction entre l'aluminium liquide et le carbone solide qui donne le carbure d'aluminium solide. il a été démontré expérimentalement, toutefois, que les taux de ces réactions sont faibles aux températures en question. De plus, les produits de ces réactions sont solides, de sorte qu'ils seront retenus dans la charge carbonée. During the gradual cooling of the gas and liquid metal by the carbon load, there can also occur, to a certain extent, different side reactions, such as the reaction between the liquid metal and carbon monoxide gas, shown from right to left by reaction (3), and the reaction between liquid aluminum and solid carbon which gives solid aluminum carbide. it has been shown experimentally, however, that the rates of these reactions are low at the temperatures in question. In addition, the products of these reactions are solid, so that they will be retained in the carbonaceous charge.
On peut dire que le procédé est basé sur la faiblesse du point de fusion de l'aluminium (66O0C). Avec des températures inférieures à 1000C à l'extrémité inférieure de la charge carbonée, l'aluminium est le seul liquide qui se trouve encore dans le système. Tous les autres produits réactionnels sont des solides qui sont retenus par la charge carbonée, et ces solides sont ramenés dans la zone de réaction par le mouvement ascendant du carbone. Le procédé convient également pour la production d'alliages d'aluminium à bas point de fusion par réduction des oxydes correspondants, tels que, par exemple, les alliages aluminium-silicium avec plus de 40 % en poids de Si (point de fusion de cette composition 9500C). We can say that the process is based on the low melting point of aluminum (66O0C). With temperatures below 1000C at the lower end of the carbonaceous charge, aluminum is the only liquid still in the system. All the other reaction products are solids which are retained by the carbonaceous charge, and these solids are brought back into the reaction zone by the upward movement of carbon. The process is also suitable for the production of aluminum alloys with a low melting point by reduction of the corresponding oxides, such as, for example, aluminum-silicon alloys with more than 40% by weight of Si (melting point of this composition 9500C).
Un avantage notable du procédé est que le métal liquide, dans la mesure où il se forme dans la zone de réaction la plus chaude, est immédiatement retiré du voisinage des électrodes. A notable advantage of the process is that the liquid metal, as it forms in the hottest reaction zone, is immediately removed from the vicinity of the electrodes.
On évite ainsi qu'il se forme une masse de métal liquide, et la formation de chaleur se produit dans les arcs qui se forment entre les électrodes et la couche supérieure de carbone et dans le mélange oxyde-carbone, là où cette chaleur est nécessaire pour la réaction.This prevents a mass of liquid metal from forming, and the formation of heat occurs in the arcs which form between the electrodes and the upper layer of carbon and in the oxide-carbon mixture, where this heat is necessary. for the reaction.
Pour élucider mieux encore le procédé, on a fait des calculs pour montrer les quantités d'énergie nécessaires, et la distribution de cette énergie dans la charge carbonée. Les calculs présentés s'appliquent à la réduction d'alumine pure. On a calculé comme dépenses d'énergie ce qui est nécessaire pour chauffer l'alumine de la température ambiante jusqu'au point de fusion, la chaleur de fusion de la masse alumine, le chauffage supplémentaire à la température de réaction et la chaleur de réaction. On n'a pas calculé le chauffage du carbone comme dépense d'énergie puisqu'il sera chauffé par l'écoulement à contre-courant des gaz de la réaction. Le refroidissement des gaz est considéré comme devant les abaisser à 1100 K (8270C), ce qui est une température convenable quand l'aluminium doit rester liquide. To further elucidate the process, calculations have been made to show the amounts of energy required, and the distribution of this energy in the carbonaceous charge. The calculations presented apply to the reduction of pure alumina. The energy required to heat the alumina from room temperature to the melting point, the heat of fusion of the alumina mass, the additional heating to the reaction temperature and the reaction heat have been calculated as energy expenditure. . Heating carbon has not been calculated as an energy expenditure since it will be heated by the counter-current flow of the reaction gases. The cooling of the gases is considered to lower them to 1100 K (8270C), which is a suitable temperature when the aluminum must remain liquid.
De l'exposé que l'on vient de faire, il ressort qu'il n'est pas possible de connattre l'importance de la fraction d'aluminium métal qui est formée directement sous la forme liquide, ni l'importance de la fraction qui est initialement formée sous forme de vapeur d'aluminium avec condensation subséquente dans la charge carbonée. Cela dépend principalement des cinétiques des réactions, et ne peut entre ramené à un calcul quantitatif dans l'état actuel des connaissances. Les calculs d'énergie sont en conséquence donnés séparément pour les deux cas limites s tout le métal produit directement sous la forme liquide, et tout le métal produit initialement sous forme de vapeur. Les données thermodynamiques sont prises dans les JAMAF
Thermochemical Tables (Natl. Bur Stand., Washington 1971), les températures étant données en Kelvin (ou). Les résultats des calculs sont donnés dans la page suivante
Alternative I : Tout le métal se présente comme Al liquide
à 24000K.From the presentation that we have just made, it appears that it is not possible to know the importance of the aluminum metal fraction which is formed directly in the liquid form, nor the importance of the fraction which is initially formed as aluminum vapor with subsequent condensation in the carbonaceous charge. This mainly depends on the kinetics of the reactions, and cannot be reduced to a quantitative calculation in the current state of knowledge. The energy calculations are consequently given separately for the two borderline cases s all the metal produced directly in the liquid form, and all the metal produced initially in the form of vapor. Thermodynamic data are taken from JAMAF
Thermochemical Tables (Natl. Bur Stand., Washington 1971), temperatures given in Kelvin (or). The results of the calculations are given on the following page
Alternative I: All metal is presented as liquid Al
at 24000K.
A1203 : chauffage de 298 à 23270K 61,1 kcal/mol
fusion à 23270K 28,3 dO
chauffage de 2327 à 24000K 2,5 dO
A1203 (1) + 3 C (s) - 2 Al(l) + 3 CO(g) 282,2 dO
Besoins en énergie primaire 374,1 kcal/2 mol AL
= 8,05 kWh/kg Al
Refroidissement 2 Al(l) 2400 à 11000K 19,7 kcal
3 CO(g) 2400 à 1100 K 33,2 kcal
52,9 kcal
Chauffage 3 C (s) 298 à 24000K 32,4 "Chaleur en excès" dans la charge carbonée 20,5 kcal/2 mol Al
= 0,44 kWh/kg Al Alternative II : Tout le métal prend la forme de vapeur d'Al
à 2600 K. A1203: heating from 298 to 23270K 61.1 kcal / mol
fusion at 23270K 28.3 dO
heating from 2327 to 24000K 2.5 dO
A1203 (1) + 3 C (s) - 2 Al (l) + 3 CO (g) 282.2 dO
Primary energy requirements 374.1 kcal / 2 mol AL
= 8.05 kWh / kg Al
Cooling 2 Al (l) 2400 to 11000K 19.7 kcal
3 CO (g) 2400 to 1100 K 33.2 kcal
52.9 kcal
Heating 3 C (s) 298 to 24000K 32.4 "Excess heat" in the carbonaceous load 20.5 kcal / 2 mol Al
= 0.44 kWh / kg Al Alternative II: All the metal takes the form of Al vapor
at 2600 K.
A1203 : chauffage de 298 à 23270K 61,1 kcal/mol
fusion à 23270K 28,3 dO
chauffage de 2327 à 26000K 9,5 dO
A1203 (1) + 3 C(s) = 2 Al (g) + 3 CO (g) 419,6 dO
Besoins en énergie primaire 518,5 kcal/2 mol Al
= 11,16 kWh/kg Al
Condensation 2 Al 26000K 139,9 kcal
Refroidissement 2 Al (1) 2600 à 1100 K 22,8 dO
3 CO (g) 2600 à 1100 K 38,5 dO
201,2 kcal
Chauffage 3 C(s) de 298 à 26000K 36 dO "Chaleur en excès" dans la charge carbonée 165,2 kcal/2mol Al
= 3,55 kWh/kg Al
On r-aa ciuera que les réactifs et produits SOilt les mêmes pour les deux alternatives.En conséquence, les besoins nets en énergie, égaux aux besoins primaires en énergie moins la chaleur en excès, doivent être les mêmes quels que soient le mécanisme et la température de réactions adoptées
Alt. I Alt. II
Besoins en énergie primaire 8,05 11,16 kWh/kg Al
Chaleur en excès 0,44 3,55
Besoins nets en énergie 7,61 7,61 kWh/kg Ai
La chaleur en excès doit être éliminée afin de maintenir la température en-dessous de 10000C environ dans la partie inférieure de la charge carbonée. Cette élimination sera assurée en partie par la perte de chaleur naturelle par les parois de la cheminée et en partie par refroidissement à l'air forcé ou par refroidissement à l'eau.Dans ce dernier cas, une partie de la chaleur peut être récupérée pour des effets de chauffage auxiliaires.A1203: heating from 298 to 23270K 61.1 kcal / mol
fusion at 23270K 28.3 dO
heating from 2327 to 26000K 9.5 dO
A1203 (1) + 3 C (s) = 2 Al (g) + 3 CO (g) 419.6 dO
Primary energy requirements 518.5 kcal / 2 mol Al
= 11.16 kWh / kg Al
Condensation 2 Al 26000K 139.9 kcal
Cooling 2 Al (1) 2600 to 1100 K 22.8 dO
3 CO (g) 2600 to 1100 K 38.5 dO
201.2 kcal
Heating 3 C (s) from 298 to 26000K 36 dO "Excess heat" in the carbonaceous charge 165.2 kcal / 2mol Al
= 3.55 kWh / kg Al
It will be seen that the SOilt reagents and products are the same for both alternatives. Consequently, the net energy requirements, equal to the primary energy requirements minus excess heat, must be the same regardless of the mechanism and reaction temperature adopted
Alt. I Alt. II
Primary energy requirements 8.05 11.16 kWh / kg Al
Excess heat 0.44 3.55
Net energy requirements 7.61 7.61 kWh / kg Ai
The excess heat must be removed in order to keep the temperature below about 10000C in the lower part of the carbonaceous charge. This will be done in part by natural heat loss through the chimney walls and in part by forced air cooling or water cooling, in the latter case some of the heat can be recovered for auxiliary heating effects.
Si l'on considère l'économie de l'énergie dans le procédé, on doit aussi tenir compte de l'énergie chimique du monoxyde de carbone. Pour chaque kg d'Al, il est produit 1,36 m3 de CO gazeux (1 kg/cm2, 250C), ayant une chaleur de combustion de 4,35 kwh. Si l'on admet un rendement de 70 % dans l'utilisation de cette chaleur, on doit soustraire 3 kWh/kg Al des dépenses en énergie. D'autre part, des pertes de chaleur se produisent par conduction, par les parois du réacteur et par les électrodes, mais, tout bien considéré, les besoins en énergie du procédé se comparent favorablement avec ceux des procédés électrolytiques actuellement utilisés, qui se situent dans un ordre de grandeur de 14 à 17 kWh/kg Al. When considering the energy saving in the process, one must also take into account the chemical energy of carbon monoxide. For each kg of Al, 1.36 m3 of CO gas is produced (1 kg / cm2, 250C), having a heat of combustion of 4.35 kwh. If we accept a 70% efficiency in the use of this heat, we must subtract 3 kWh / kg Al from energy expenditure. On the other hand, heat losses occur by conduction, by the walls of the reactor and by the electrodes, but, all things considered, the energy requirements of the process compare favorably with those of the electrolytic processes currently in use, which are in an order of magnitude from 14 to 17 kWh / kg Al.
Le principal problème technique qui se présente dans le procédé de l'invention est constitué par la mise en oeuvre d'un mouvement ascendant de la charge carbonée à contre-courant du gaz de la réaction et du métal liquide. LA figure 2 représente une disposition qui permet de résoudre ce problème, pendant que la figure 3 montre une coupe horizontale de cette disposition. Dans la figure 1, la référence 1 représente un caisson en matière carbonée, chargé de coke. Le fond de ce caisson doit permettre le passage du gaz et du métal fondu, pendant qu'il doit retenir le coke. A cet effet, le fond est constitué comme une grille établie avec des barreaux de matière carbonée.Quand les caissons se déplacent vers le haut pendant que la charge de coke se consume, le fond du caisson supérieur arrive à la zone de réaction et la matière carbonée qui le constitue prend part à la réaction comme agent réducteur. La référence 2 désigne un cylindre d'acier qui agit comme récipient et guide pour l'oxyde que l'on charge par le haut. La référence 3 désigne les parois en carbone du caisson après que le fond a été consumé au cours de la réaction : on les détache, et on peut les assembler pour les réutiliser avec un nouveau fond, ou on peut les broyer et les utiliser pour la réduction. En 4, on voit les électrodes (triphasé). En 5, on voit un récipient en matière réfractaire, propre à contenir le métal liquide, supporté par la colonne 7, que l'on peut faire monter et descendre au moyen du vérin hydraulique 8.La colonne 7, et par suite la pile de caissons à carbone, remonte à une vitesse correspondant à la vitesse de consommation du carbone par la réaction, jusqu'à ce que le fond du caisson à carbone inférieur soit arrivé à peu près au niveau du plafond de la partie inférieure agrandie de la chambre du réacteur. On verrouille alors ce caisson à carbone dans cette position au moyen d'un dispositif mécanique (qui n'est pas illustré), et on fait redescendre la colonne 7 avec le récipient à métal 5. En même temps, on ouvre celle de gauche des deux portes 6 et l'on pousse le chariot 9 portant les deux vérins hydrauliques 8 vers la droite, jusqu'à ce que le récipient à métal 10, vide, et le caisson à carbone il chargé de coke soient mis en place directement sous les caissons à carbone qui se trouvent dans la cheminée.Les caissons 10 et 11 sont alors remontés jusqu a ce qu'ils supportent la pile supérieure de caissons à carbone et l'alimentation se poursuit à une vitesse convenant pour la réaction. On ferme alors la porte 6 de droite, de sorte que le gaz de réaction est contraint à passer par l'orifice d'évacuation de gauche, illustré dans la figure 2. Le couvercle 12 de droite est enlevé, on évacue le métal du récipient au moyen du vide d'une manière connue, on place sur ce récipient un autre caisson chargé de carbone (coke), on fait descendre ces deux récipients, repose le couvercle, et l'ensemble est prêt pour le nouveau changement qui s'opérera dans la direction opposée.La durée du transfert, depuis la descente d'un récipient à métal jusqu'à son remplacement par le suivant est courte si lon la compare avec la durée de la consom mation du contenu d'un caisson à carbone2 de sorte que le procédé peut être considéré comme pratiquement continu. The main technical problem which arises in the process of the invention is constituted by the implementation of an upward movement of the carbonaceous charge against the current of the reaction gas and of the liquid metal. FIG. 2 represents an arrangement which makes it possible to solve this problem, while FIG. 3 shows a horizontal section of this arrangement. In FIG. 1, the reference 1 represents a box made of carbonaceous material, charged with coke. The bottom of this box must allow the passage of gas and molten metal, while it must retain the coke. For this purpose, the bottom is constituted as a grid established with bars of carbonaceous material. When the caissons move upwards while the coke charge is consumed, the bottom of the upper caisson arrives at the reaction zone and the material which constitutes it takes part in the reaction as a reducing agent. Reference 2 designates a steel cylinder which acts as a container and guide for the oxide which is loaded from above. The reference 3 designates the carbon walls of the box after the bottom has been consumed during the reaction: we detach them, and we can assemble them to reuse them with a new bottom, or we can crush and use them for the reduction. In 4, we see the electrodes (three phase). In 5, we see a receptacle made of refractory material, capable of containing the liquid metal, supported by the column 7, which can be raised and lowered by means of the hydraulic cylinder 8.The column 7, and consequently the stack of carbon boxes, goes up to a speed corresponding to the rate of carbon consumption by the reaction, until the bottom of the lower carbon box has arrived at about the level of the ceiling of the enlarged lower part of the chamber. reactor. This carbon box is then locked in this position by means of a mechanical device (which is not illustrated), and the column 7 is lowered with the metal container 5. At the same time, the one on the left of the two doors 6 and pushing the carriage 9 carrying the two hydraulic cylinders 8 to the right, until the metal container 10, empty, and the carbon box loaded with coke are placed directly under the carbon boxes which are in the chimney. The boxes 10 and 11 are then reassembled until they support the upper stack of carbon boxes and the feeding continues at a speed suitable for the reaction. The right door 6 is then closed, so that the reaction gas is forced to pass through the left discharge port, illustrated in FIG. 2. The right cover 12 is removed, the metal is removed from the container by means of the vacuum in a known manner, another container loaded with carbon (coke) is placed on this container, these two containers are lowered, the cover is put back down, and the assembly is ready for the new change which will take place. in the opposite direction. The duration of the transfer, from the descent of a metal container to its replacement by the next one is short if we compare it with the duration of the consumption of the contents of a carbon box2 so that the process can be considered practically continuous.
La face supérieure du chariot 9 est protégée par des couches de briques, réfractaires et isolantes de la chaleur, comme le sont aussi les parois de la chambre. Une fermeture à labyrinthe est disposée entre les ouvrages de briques mobile et fixe de la façon connue dans les fours tunnels courants. Le chariot 9 se déplace dans un espace clos étanche au gaz afin d'éviter qu'il s'échappe du monoxyde de carbone gazeux par le joint à labyrinthe. The upper face of the carriage 9 is protected by layers of bricks, refractory and heat insulating, as are also the walls of the chamber. A labyrinth closure is arranged between the movable and fixed brick structures in the manner known in common tunnel ovens. The carriage 9 moves in a closed gas-tight space to prevent it from escaping carbon monoxide gas through the labyrinth seal.
Le dispositif illustré dans les figures 2 et 3 est basé sur un déplacement vertical de la charge de carbone et doit être considéré comme un exemple qui ne peut imposer aucune limitation au procédé de l'invention ; le déplacement de la charge carbonée peut, en variante, se faire suivant un angle en-dessous de la chambre de réaction ou tangentiellement à elle, bien que ces modèles d'appareillage ne soient pas illustrés ici. The device illustrated in FIGS. 2 and 3 is based on a vertical displacement of the carbon charge and must be considered as an example which cannot impose any limitation on the method of the invention; the displacement of the carbonaceous charge can, as a variant, take place at an angle below or tangentially to the reaction chamber, although these models of apparatus are not illustrated here.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2528871A1 (en) * | 1982-06-22 | 1983-12-23 | Agency Ind Science Techn | PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF ALUMINUM USING A BLAST FURNACE |
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| FR2473557B1 (en) | 1984-07-13 |
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