[发明专利]用于碳热还原炉的衬里

说明书

发明背景 

发明领域

本发明涉及由石墨和其它耐火材料制得的用于氧化铝碳热还原生产铝的衬里(linings and liners)。 

相关技术的描述 

一个世纪以来，铝工业依靠于铝熔炼的Hall-Heroult方法。在与生产其它竞争材料例如钢和塑料使用的方法比较时，该方法是耗能的和成本高的。因此，一直在寻求可替换的铝生产方法。 

其中一种这样可替换的方法是称为氧化铝直接碳热还原的方法。如在US专利2,974,032(Grunert等人)中描述的，进行能用总反应 

Al₂O₃+3C＝2Al+3CO  (1) 

概括的方法，或能分两步进行该方法： 

2Al₂O₃+9C＝Al₄C₃+6CO   (2) 

Al₄C₃+Al₂O₃＝6Al+3CO  (3) 

在1900-2000℃温度进行反应(2)。在2200℃及以上温度进行实际的铝生产反应(3)；随着温度的升高反应速度加快。除在反应(2)和(3)中提到的物质外，在反应(2)和(3)中形成包括Al₂O的挥发性Al物质，并随废气排出。除非回收，这些挥发性物质代表了铝产量的损失。反应(2)和(3)均是吸热的。 

已经进行各种尝试以开发有效的用于氧化铝直接碳热还原的生产技术(参见Marshall Bruno，Light Metals 2003，TMS(The Minerals，Metal&Materials Society)2003)。US专利3,607,221(Kibby)描述了一种方法，该方法中所有产物快速气化为基本上仅气态铝和CO，在一定温度下含有具有液体铝层的气态混合物，在该温度下温度足够低以使液体铝的蒸气压低于与之接触的铝蒸气的分压，同时温度足够高 以阻止一氧化碳和铝的反应并回收基本上纯的铝。 

其它的关于碳热还原生产铝的专利包括US专利4,486,229(Troup等人)和4,491,472(Stevenson等人)。在US专利4,099,959(Dewing等人)中描述了双反应区域。由Alcoa和Elkem最近的努力获得新的双室反应器设计，如US专利6,440,193(Johansen等人)描述的。 

在双室反应器中，反应(2)基本上限定在低温室。在底流(underflow)间隔壁下Al₄C₃和Al₂O₃的熔浴流入进行反应(3)的高温室。由此生产的铝在熔融炉渣层顶部形成层，并从高温室流出。来自低温室和高温室的含有Al蒸气和挥发性Al₂O的废气在单独的气体回收单元中反应形成Al₄C₃，并将其再次注入低温室。能通过高密度电阻加热例如通过浸入熔浴中的石墨电极提供低温室中维持温度所需的能量。相似的，能通过基本水平安置在反应容器高温室侧壁上的多个电极对提供高温室中维持温度所需的能量。 

US专利4,099,959(Dewing等人)提出使用不具有任何内衬的钢壳用于反应容器。在炉操作中，在钢上将形成凝固炉渣的衬里，因此保护其不受反应室中苛刻环境的影响并进而防止电短路。但是，为了确保系统的安全性和避免熔融炉渣穿透的可能性，建议提供例如两套重复并完全独立的水冷却系统、红外探测器或其它检测钢壳温度的传感器，以及在钢壳的电接地连接中的电流探测器。当探测器检查到任何系统故障时，自动关掉电源并启动备用的水冷却系统。 

除了安全操作系统的复杂性外，凝固的炉渣层仅在一些初始启动过程后形成，在启动过程中钢壳将受到熔融炉渣的严重侵蚀。此外，熔炉气氛是在压力下的并含有容易透过凝固炉渣并然后侵蚀钢表面的大量CO气。此外，在真实的操作条件下非常难以维持均匀的凝固炉渣层。因此，上述安全系统将经常引起电源关闭使得难以进行有效和连续的生产工艺。最后，一旦非常热的熔融炉渣接触钢壳，那么仅通过水喷射装置冷却系统是非常困难的任务。 

发明概述