Способ получения металлического алюминия и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способу и устройству для получения металлического алюминия. Способ включает предварительную двухстадийную непрерывную обработку бентонитовой глины в виде аэровзвеси, фракционный состав которой составляет от 0,001-0,05 мм с последующим ее активированием электростатическим полем напряженностью Е≈1000 В/м. Затем аэровзвесь подвергают воздействию переменным магнитным полем, напряженностью от 1⋅10⁴-4⋅10⁴ А/м, частотой 20-50 Гц. Перемешивание аэровзвеси осуществляют в камере аэростатической активации. Раскрыто устройство, содержащее корпус, выполненный из двух камер – электростатической камеры, соединенной с бункером-дозатором и содержащей электроды генератора статического поля, соединенного с батареей статического конденсатора для электростатической активации аэровзвеси, и диэлектрической камеры, снабженной вакуумным насосом и бункером-накопителем, расположенными в ее нижней части, и двумя парами фокусирующих элементов, электрически связанных с концентрационным генератором переменного электромагнитного поля для электромагнитной обработки аэровзвеси. Обеспечивается возможность значительной степени извлечения чистого алюминия из его окислов за счет воздействия переменного электромагнитного поля на предварительно активированные молекулы окислов алюминия с помощью электростатического поля высокой напряженности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к получению или рафинированию металлов, предварительной обработке руд, в частности предназначено для электролитического получения алюминия и устройствам, предназначенным для этого.

Известен карботермический способ получения алюминия из оксида алюминия с низким содержанием карбида алюминия, согласно которому смесь окиси алюминия и углерода или углеродсодержащего материала подвергают воздействию плазменной дуги. Полученный алюминий вытекает в направлении от дуги и содержит не более 5% вес. карбида алюминия. Устройство для получения алюминия содержит анод и катод, между которыми создают плазменную дугу, канал подачи глинозема и углерода и трубопровод для отвода газов, причем рабочее пространство устройства футеровано графитовым материалом (FR 2330772 (А1) - 1977-06-03).

Однако известный способ не позволяет получить алюминий достаточно высокой степени чистоты с использованием электростатического поля высокой напряженности.

Известен способ получения первичного алюминия, включающий смешение глинозема и углерода с получением их механической смеси, восстановление смеси с использованием плазменной дуги и осаждение алюминия, в котором смесь подают непосредственно в плазменную дугу, при этом температуру осажденного расплава алюминия поддерживают с помощью индуктора. Для осуществления известного способа используют устройство, содержащее реактор с графитовыми блоками, канал подачи смеси глинозема и углерода, катод и анод, расположенные в верхней его части, и трубопровод для отвода газов, и снабженное соленоидом, индуктором и трубопроводами для отвода металла и удаления шлака, трубопровод для отвода газов размещен в средней части устройства, катод выполнен тугоплавким, канал подачи размещен между катодом и анодом, вокруг анода коаксиально размещен соленоид, а вокруг графитовых блоков, находящихся в нижней части устройства, коаксиально размещен индуктор (Патент RU №2170278. Опубл. 10.07.2001).

Однако полученный описанными способом и устройством алюминий не обладает высокой степенью чистоты и требует дополнительных операций для доведения его до требуемой степени чистоты.

Известен способ получения алюминия, включающий термическую обработку оксида алюминия углеродом, получение парообразного субгалогенида алюминия, его последующий вывод из зоны реакции, охлаждение и выделение металлического алюминия, в котором термическую обработку углеродом ведут в расплаве оксида алюминия с солями галогеноводородных кислот и в присутствии тригалогенида алюминия при получении парообразного субгалогенида алюминия за одну операцию (Патент RU №2280703. Опубл. 27.07.2006 г.).

Однако в известном способе не используют для получения алюминия электростатическое поле высокого напряжения.

Способ получения алюмосиликатов и кремния из воздушной взвеси частиц песка, включающий размещение исходного сырья во внутренней полости емкости, изолированной от окружающей ее среды, и воздействие на него генерируемым для его преобразования в конечный продукт физическим полем, которое осуществляется непосредственно в зоне его влияния, при этом в качестве объекта для проведения последнего выступает воздушная взвесь из частиц песка, содержащих окиси алюминия и кремния с размерами 1-8 мкм, и суммарный объем этих частиц относительно всего объема полости, которую ими заполняют, составляет 20-40%, а в качестве физического поля используется переменное вращающееся магнитное, напряженность которого, замеренная в зоне обработки, составляет 2,5⋅10³-1⋅10⁶ А/м, а частота 40-70 Гц, а сама емкость с загруженным в нее обрабатываемым сырьем выполняет функции замыкающего соединительного звена для генерируемого применяемой магнитной системой и создаваемого в ней потока, и в процессе выполнения обработки в толщу получаемого при ее осуществлении донного осадка производится подача струй сжатого воздуха под избыточным давлением, равным 0,1-0,6 кгс/см², а временной промежуток, в течение которого такое преобразование исходного сырьевого материала в конечные продукты и производится, составляет 12-17 мин (Патент RU №2467950. Опубл. 27.11.2012 г.).

Однако известный способ не предусматривает получения алюминия достаточно высокой степени очистки с использованием электростатического поля высокой напряженности.

Известен способ получения металлического алюминия, включающий загрузку в полость корпуса устройства для получения алюминия алюмосодержащей глины, ее восстановление в упомянутой полости при воздействии в зоне обработки генерируемым магнитным полем, осаждение и выгрузку полученного алюминия, в котором алюмосодержащую глину размалывают на частицы азмерами 0,001-1,0 мм, перемешивают с водой в количестве 30-40% от суммарной массы размолотой глины с получением водяной суспензии, которую загружают в упомянутую полость, продувают через зону обработки сжатый атмосферный воздух, восстановление осуществляют углеродом, входящим в состав газов, присутствующих в струях продуваемого через зону обработки упомянутого воздуха, при воздействии на водяную суспензию переменным вращающимся магнитным полем напряженностью в зонах обработки 4⋅10⁴-1⋅10⁶ А/м, частотой 40-70 Гц путем перемещения водяной суспензии через последовательно расположенные в корпусе устройства упомянутые зоны обработки, количество которых составляет от 2 до 6, причем упомянутые зоны обработки водяной суспензии используют в качестве замыкающих соединительных звеньев для генерируемого магнитного потока при воздействии на водяную суспензию, а загрузку водяной суспензии и выгрузку готового алюминия осуществляют без остановки устройства для получения алюминия. (Патент RU №2501870. Опубл. 20.12.2013).

Однако известный способ не предусматривает получения алюминия достаточно высокой степени очистки с использованием электростатического поля высокой напряженности.

Известен электролизер для производства алюминия, включающий катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными катодными токоподводами, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство, содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, в котором на угольной подине под каждым из анодов расположены поплавки с более высокой удельной электропроводностью, чем удельная электропроводность электролита, стойкие к разрушению в криолитоглиноземных расплавах и жидком алюминии, причем верхняя поверхность поплавков выступает выше уровня катодного алюминия, а поплавки выполнены с возможностью перемещения и/или замены (Патент RU №2499085. Опубл. 20.11.2013).

Однако известный электролизер не позволяет получить электростатическое поле высокой напряженности для производства алюминия достаточно значительной степени очистки.

Известен электролизер для электрохимического получения алюминия из оксида алюминия, растворенного во фторсодержащем расплавленном электролите, содержащий горизонтальное углеродное катодное днище, защищенное смачиваемым алюминием поверхностным покрытием, при этом такое покрытое катодное днище является стойким к коррозии и износу, ряд пластин, изготовленных из смачиваемого алюминием сетчатого пористого материала, заполненных алюминием и размещенных плашмя на смачиваемом алюминием поверхностном покрытии, тонкий донный слой алюминия между заполненными алюминием пористыми пластинами и смачиваемым алюминием поверхностным покрытием на верхней части углеродного катодного днища, при этом тонкий слой алюминия смачивает поверхностное покрытие и донную часть заполненных алюминием пористых пластин, и верхний слой алюминия, который образован на заполненных алюминием пористых пластинах и покрыт электролитом (Патент RU №2283372. Опубл. 10.09.2006).

Однако известный электролизер не позволяет получить электростатическое поле высокой напряженности для производства алюминия достаточно значительной степени очистки.

Известен электролизер для производства алюминия, включающий катодное устройство, содержащее шахту с угольной подиной, выложенную из угольных блоков, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство, содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит и систему автоматической подачи глинозема (АПГ), содержащую пробойник электролитной корки и питатель глинозема, в котором для сбора и постепенного растворения подаваемого в электролит глинозема на угольной подине под каждым из питателей АПГ установлен блок, стойкий к разрушению в криолитоглиноземных расплавах и жидком алюминии, верхнее основание которого расположено на уровне или выше уровня жидкого алюминия (Патент RU №2454490. Опубл. 27.06.2012).

Однако известный электролизер не позволяет получить электростатическое поле высокой напряженности для производства алюминия значительной степени очистки.

Известен электролизер для производства алюминия, содержащий катодное устройство, имеющее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными катодными токоподводами, заключенными в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство, содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, который снабжен блоками в виде тумб или поплавков, размещенными по периметру анода в межполюсном зазоре на границе поверхностей катодный алюминий-электролит, верхняя поверхность которых выступает над уровнем катодного алюминия, выполненными с возможностью перемещения и/или их замены при необходимости (Патент RU №2550683. Опубл. 10.05.2015 г.).

Известно устройство для получения алюмосиликатов и кремния из воздушной взвеси частиц песка, содержащее в своем составе емкость для размещения в ней обрабатываемой сырьевой массы, а также рабочие элементы, обеспечивающие формирование воздействующего на составляющие ее частицы физического поля, которые подключаются к внешнему источнику электрического питания, в котором упомянутые рабочие элементы выполнены в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала, образующих в процессе их монтажа замкнутый прямоугольный контур, а в теле составляющих этот контур отдельных деталей размещены три обмотки-катушки, каждая из которых соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания, и в одном из этих входящих в состав контура элементов выполнен сквозной паз, габариты которого обеспечивают размещение в нем содержащей воздушную взвесь емкости, а верхняя ее часть имеет установленную на торце последней крышку, изолирующую внутренний объем емкости от прямой его связи с окружающей емкость внешней средой, и на дне ее проложен заглушенный с торцевой части патрубок, в стенках которого выполнены отверстия перфорации, обеспечивающие вывод в окружающие его придонные слои обрабатываемого сырья струй подаваемого через них сжатого воздуха, и внутренняя полость этого патрубка сообщается с внешней, подающей объемы последнего под избыточным давлением магистралью (Патент RU №2467950. Опубл. 27.11.2012 г.).

Однако известное устройство не позволяет получить электростатическое поле высокой напряженности.

Известно устройство для получения металлического алюминия, содержащее корпус для размещения в его полости обрабатываемой алюмосодержащей глины, рабочие элементы для создания магнитного поля, соединенные с внешним источником их электрического питания, соленоид, размещенный на рабочем элементе, и средства загрузки упомянутой глины и выгрузки полученного алюминия, которое снабжено размещенным во внутренней полости упомянутого корпуса, вращающимся вокруг своей оси шнеком для перемещения обрабатываемой водяной суспензии из алюмосодержащей глины и воды от переднего конца корпуса к заднему его концу, приводом шнека для обеспечения угловых перемещений шнека с заданной скоростью и соплами для подачи сжатого воздуха, причем в переднем конце корпуса выполнено отверстие, сообщенное с полостью находящегося над ним загрузочного бункера для подачи упомянутой суспензии, а в заднем его конце расположен люк для выгрузки из него полученного алюминия в установленный под люком накопитель, рабочие элементы выполнены в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала, смонтированных в замкнутый прямоугольный контур в количестве от 2 до 6, соленоиды выполнены в виде трех электрических обмоток-катушек, размещенных в теле рабочих элементов, составляющих каждый замкнутый прямоугольный контур, каждая электрическая обмотка-катушка соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания, при этом в каждом контуре в одном из рабочих элементов выполнен сквозной паз, охватывающий размещенный в нем упомянутый корпус, причем контуры последовательно установлены на равном расстоянии друг от друга (Патент RU №2501870. Опубл. 20.12.2013).

Однако известное устройство не позволяет создавать электростатическое поле высокой напряженности для получения алюминия, обладающего значительной степенью очистки, приближающейся к 100%.

Задачей настоящего изобретения является разработка экологически безопасных и энергосберегающих способа и устройства для получение алюминия, результат которых проявляется в возможности значительной степени извлечения чистого алюминия из его окислов, путем воздействия переменного электромагнитного поля на предварительно активированные молекулы окислов алюминия с помощью электростатического поля высокой напряженности.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения металлического алюминия, включающем использование бентонитовой глины, восстановление алюминия, использование магнитного поля, установленной напряженности и частоты, осуществляют двухстадийную непрерывную обработку бентонитовой глины, мелкодисперстный состав аэровзвеси которой составляет от 0,001-0,05 мм, затем предварительно подготовленный состав бентонитовой глины активируют электростатическим полем напряженностью Е≈1000 В/м не менее 10 минут, после этого мелкодисперстную бентонитовую глину подвергают воздействию переменным магнитным полем напряженностью от 1⋅10⁴-4⋅10⁴ А/м, чистотой от 20-50 Гц в течение 20-40 минут в замкнутом изолированном диэлектрическом пространстве, в котором под действием переменного магнитного поля происходит восстановление чистого алюминия.

Целесообразно, для обеспечения энергетической готовности молекул окислов алюминия к разрыву межатомных связей осуществляют энергетическую активацию бентонитовой глины посредством воздействия электростатического поля.

Для осуществления способа используют устройство для получения металлического алюминия, содержащее корпус, бункер, элементы, создающие магнитное поле, в котором корпус выполнен из двух камер (1, 4), одна (1) из которых соединена с бункером-дозатором 3 (2) и предназначена для электростатической активации аэровзвеси посредством электродов (3) генератора статического поля соединенного с батареей (10) статического конденсатора (10), вторая - диэлектрическая (4), предназначена для электромагнитной обработки аэровзвеси, при этом диэлектрическая камера (4) оснащена вакуумным насосом (5), бункером-накопителем (6), расположенными в нижней части упомянутой диэлектрической камеры (4), и двумя парами фокусирующих элементов 9 (7), электрически связанных с концентрационным генератором переменного электромагнитного поля, при этом пары фокусирующих элементов расположены симметрично по отношению в продольной оси 10 (12) и друг друга по отношению к поперечной плоскости 11 (13).

Настоящее изобретение поясняют подробным описание, примером выполнения и схемами, на которых:

Фиг. 1 - характеризует вид спереди устройства для получения алюминия, согласно изобретению;

Фиг. 2 - показывает вид сверху в разрезе плоскостью А-А диэлектрической камеры электромагнитной обработки аэровзвеси на уровне фокусирующих элементов.

Способ получения металлического алюминия при помощи устройства осуществляют следующим образом.

Устройство для получения металлического алюминия содержит корпус выполнен из первой камеры 1, предназначенной для электростатической активации аэровзвеси, и второй - диэлектрической камеры 2 (Фиг. 1). Камера 1 соединена с бункером-дозатором 3. Электростатическая активация аэровзвеси возможна посредством электродов 4 генератора статического поля, соединенного с батареей статического конденсатора 5. Вторая камера 2 - диэлектрическая, предназначена для двухстадийной электромагнитной обработки аэровзвеси. При этом диэлектрическая камера 2 оснащена вакуумным насосом 6, бункером накопителем 7. Вакуумный насос 6 и бункер-накопитель 7 расположены в нижней части упомянутой диэлектрической камеры 2. Кроме того, диэлектрическая камера 2 оснащена двумя парами фокусирующих элементов 8 (Фиг. 2). При этом пары фокусирующих элементов 8 расположены симметрично относительно продольной оси 9 и друг друга по отношению к поперечной оси 10.

Для получения металлического алюминия Al используют мелкодисперсную бетонитовую глину Al₂O₃. Мелкодисперстную бентонитовую глину предварительно очищают от органических загрязнений, просушивают в сушильной камере при температуре 150°C. Затем фракционируют путем перемалывания до получения фракций в виде частиц размером от 0,001-0,5 мм. После чего фракции бентонитовой глины засыпают в бункер дозатора 3 (Фиг. 1). Из бункера дозатора 3 упомянутая бентонитовая глина поступает в первую камеру 1 электрической активации, в которой создается электрическое поле высокой напряженности с Е≈1000 G/M. Под воздействием электростатического напряжения происходит электризация фракционированных частиц сырьевой массы бентолитовой глины, которая находится в камере 1 электростатической активации в виде аэровзвеси и предварительной энергетической активации межатомных связей в молекулах окислов алюминия. Полученная аэровзвесь принудительно поступает в камеру 2 (Фиг. 2). Перепад давлений в камерах 1 и 2 образуется в результате откачки воздуха из камеры 2 с помощью насоса 6. Принудительное поступление аэровзвеси обеспечивается за счет воздействия на нее избыточного давления, которое образуется в результате перепада давлений в камере 1 и камере 2. Мелкодисперсные частицы аэровзвеси, обладая определенным электрическим зарядом, под воздействием переменного магнитного поля (ПМП) напряженностью 1⋅10⁴-4⋅10⁴ А/м поляризуются и происходит реакция восстановления алюминия. Восстановленный алюминий под действием силы тяжести поступает в бункер 7 накопитель.

Предлагаемое изобретение позволяет использовать экологически безопасные и энергосберегающие способ и устройство для получение алюминия.

Кроме того, осуществить возможность в значительной степени извлечения чистого алюминия из его окислов посредством воздействия переменного электромагнитного поля на предварительно активированные молекулы окислов алюминия с помощью электростатического поля высокой напряженности.

Предлагаемое изобретение позволяет получить химически чистый алюминий с минимальным техногенным воздействием на природную окружающую среду и с пониженным энергопотреблением процесса.

1. Способ получения металлического алюминия из бентонитовой глины, включающий очистку глины от загрязнений, сушку, перемалывание ее до получения частиц размерами 0,001-1 мм и восстановление алюминия с использованием магнитного поля заданной напряженности и частоты, отличающийся тем, что осуществляют активирование мелкодисперсной бентонитовой глины электростатическим полем напряженностью E ~1000 В/м не менее 10 минут с получением активированной аэровзвеси, которую затем подвергают воздействию переменного магнитного поля напряженностью от 1·10⁴-4·10⁴ А/м, частотой от 20-50 Гц в течение 20-40 минут в диэлектрической щелевой камере с обеспечением восстановления алюминия.

2. Устройство для получения металлического алюминия из бентонитовой глины, содержащее корпус, бункер, элементы для создания магнитного поля, отличающееся тем, что корпус выполнен из двух камер, одна из которых является камерой для электростатической активации аэровзвеси, соединена с бункером-дозатором и содержит электроды генератора статического поля, соединенного с батареей статического конденсатора, и другая - диэлектрическая камера для электромагнитной обработки аэровзвеси, снабженная вакуумным насосом и бункером-накопителем, расположенными в ее нижней части, и двумя парами фокусирующих элементов воздействия переменного магнитного поля, электрически связанных с концентрационным генератором переменного электромагнитного поля, при этом пары фокусирующих элементов расположены симметрично относительно продольной оси устройства и друг друга относительно поперечной плоскости устройства.