CC BY
39
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2015, № 2 (13)
УДК 669.713.6
БУДУЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЁГКИХ МЕТАЛЛОВ И КРЕМНИЯ А.И. Бегунов1, А.А. Бегунов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, [email protected] 2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, [email protected]
Предложен магнийтермический процесс восстановления трихлорида алюминия в газовой фазе во встречных турбулентных потоках. Заявлен новый алюмотермический способ получения титана из жидкого тетрахлорида при низких температурах. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: метод Эру-Холла; производство титана; магния; алюминия. FUTURE TECHNOLOGIES OF LIGHT METALS AND SILICON А.!. Begunov1, A.A. Begunov2
Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia, [email protected]
Irkutsk State University of Railway Engineering,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia, [email protected]
Magnesium thermal process of reduction of aluminum trichloride in a gas phase in counter turbulent flows is offered. The new aluminothermic way of receiving the titan from liquid tetrachloride at low temperatures is declared. 5 sources.
Key words: method to Hall-Heroult; production of the titan; magnesium; aluminum.
Известно, что суммарное содержание кремния, кислорода и алюминия в земной коре достигает ~ 84%. Поэтому поиски новых технологий получения алюминия, а также других лёгких металлов - магния и титана - могут быть столь же многообещающими, как и блестящие исследования, а также внедрения по полупроводниковому и солнечному кремнию.
Мировое производство алюминия достигло 40 млн т в год. При этом метод Эру-Холла, предложенный ещё в 1886 году, достиг высокой степени технического совершенства по величине силе тока, достигающей 400 000 А, выходу по току (до 95%) и расходу энергии (по лучшим сериям ~12 000 кВт-ч/т Al). Этот метод, однако, остаётся капитало- и энергоёмким, характеризуется выделениями в атмосферу ~ 650 нм3 СО2 на 1 т металла. В отходящих газах содержатся окисид углерода, окислы азота, фториды, канцерогенные полиароматические соединения, сернистый газ. Такие технологические операции, как замена штырей или анодов, выливка металлов, диагностика и лечение ванн и ряд других процессов не поддаются автоматизации.
Электролизёры малопроизводительны, негерметичны, и метод Эру-Холла не отличает современному состоянию природы и общества.
Мы предложили магнийтермический процесс восстановления трихлорида алюминия в газовой фазе во встречных турбулентных потоках [1 ]
AlClз г + Mg г = ^ж + MgCl2 (1)
Международная заявка опубликована в настоящее время кроме РФ, в ЕС (ЕПВ), Китае, Индии, зарегистрирована также в США, Канаде, Бразилии, Японии, Австралии и Корее.
Основные трудности постановки изобретений на «рельсы внедрения», философски рассуждая, восходят к утверждению А Эйнштейна, что «.... легче расщепить атом, чем преодолеть предубеждения». Говоря о более конкретных причинах появления предубеждений, следует назвать сложную и экологически нечистую технологию получения трихлорида алюминия путём хлорирования глинозёма в присутствии углерода хлором при температуре до 730 оС, су-
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2015, № 2 (13)
ществующую в общих чертах с начала XIX века.
Решая задачу получения относительно дешёвого и чистого трихлорида алюминия, мы обратились к производству титана магнийтер-мическим восстановлением
Т1С14 г + 2Мд ж = Т тв + 2 МдСЬ ж тв (2)
ратуре является абсолютно безводным продуктом и идеально пригоден для получения рецик-лингового металлического магния. Мы предложили процесс, похожий на реакцию Пиджена [4], но с восстановлением магния не из обожжённого доломита, а из безводного дихлорида магния ферросилицием [3]
Ещё Л. Полинг отмечал, что для целей восстановления титана из трихлорида пригоден и алюминий [5]. Мы заявили новый алюмотер-мический способ получения титана из жидкого тетрахлорида при низких температурах
3Т1С14 ж + 4 А1 тв = 3 Т тв + 4 А1С1з тв (3)
Термодинамически процессы возможны при весьма низких значениях энтальпии и энергии Гиббса [2]. Задачей реализации его будут связаны с необходимостью поддержания системы в состоянии псевдоньютоновской жидкости при относительно малых содержаниях твёрдых фаз и избытке тетрахлорида.
Хлорид алюминия, получаемый как побочный продукт по реакции (3), может с успехом использоваться в магнийтермическом получении алюминия по реакции (1). Конечно, его количество будет несопоставимо с потенциальными потребностями алюминиевой промышленности, но для крупной пилотной установки этого трихлорида алюминия хватит.
Другой проблемой магнийтермического способа получения алюминия является потребность в относительно дешёвом магнии - восстановителе. Хлорид магния, получаемый по реакции (1) при ~ 1100 оС в герметичной аппа-
2 МдС12 ж + Ре, Б1 тв = 2 Мд ж + Ре тв + 31СЦ г Т (4)
В отличие от предыдущих процессов при парциальном давлении газовой фазы 1 Ат (101325 Па) равновесие реакции (4) смещено влево (ДО > 0 и ЛИ > 0). Для смещения его вправо необходимо работать при весьма низких парциальных давлениях тетрахлорсилана. Тет-рахлорсилан записан в уравнении (4) условно. Реально при температуре ~ 700 оС это будет смесь моно-, би-, три- и тетрахлорсилана. Кинетика процессов образования взаимных превращений и диспропорционирования, конечно, требует дальнейших исследований и изобретательства.
По нашим представлениям, проведение процесса (4) в расплавленных хлоридах №С1-КС1-МдС12 возможно, а дальнейшей отвод хлорсиланов из системы, их ректификационная переработка и диспропорционирование дают хороший шанс на создание переходного мостика от технического кремния или ферросилиция к кремнию высокой или высшей чистоты.
Рассмотрение конспективно новые процессы элементотермического получения алюминия, титана, магния и кремния тесно взаимосвязаны и составляют основу технологии получения этих продуктов в недалёком будущем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Бегунов А.И. Патенты РФ № 2.478.126 Способ получения алюминия. Б.И. № 9. 27.03.2013 и № 2.476.613.
2. Бегунов А.И., Бегунов А.А. Заявки на изобретения РФ № 2013129477 и № 2013152515.
3. Бегунов А.И., Бегунов А.А. Заявка на изобретение РФ № 2013156010.
4. Лебедев В.А, Седых В.И. Металлургия магния. Иркутск, 2010. 175 с.
5. Полинг Л. Общая химия. М.: Мир, 1974. 846 с.
1.Begunov A.I. A method for aluminum production. Patent RF no. 2.478.126.
2. Begunov A.I., Begunov A.A. Patent application RF no. 2013129477.
3. Begunov A.I., Begunov A.A. Patent application RF no. 2013156010.
4. Lebedev V.A, Sedykh V.I. Metallurgiya magniya [Magnesium metallurgy]. Irkutsk, 2010, 175 p.
5. Poling L. Obshchaya khimiya [General chemistry]. Moscow, Mir Publ., 1974, 846 p.
Поступила в редакцию 9 апреля 2015 г. После переработки 28 апреля 2015 г.
