СПОСОБ ТОЧЕЧНОГО ПИТАНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА СЫРЬЕМ Российский патент 1997 года по МПК C25C3/08 C25C3/14 

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия на электролизерах с самообжигающим анодом, в частности для ввода в расплав электролита порошкообразных сырьевых компонентов.

В мировой практике питания сырьем электролизных ванн Содерберга применяется целый ряд специализированных мобильных машин для периодического (через 2 3 ч) проламывания периферийной корки электролита и последующей засыпки открывающегося пространства необходимым сырьем.

Очевидное несоответствие такой подачи в ванны сырья непрерывному электропитанию приводит к технологическим нарушениям процесса, определяет низкий выход по току и энергии, появление осадка, а также неудовлетворительные экологические показатели.

На устранение указанного несоответствия направлены усилия по разработке способов точечной подачи сырья в электролизеры, не предусматривающих вскрытия электролитной корки, однако позволяющих вести процесс электролиза в автоматическом режиме.

В основе точечного питания, как правило, лежит механизм пробивания (продавливания) электролитной корки на небольшом участке с устройством объемного дозирования, которые периодически приводятся в действие, например, пневмоцилиндрами. Так по патенту Франции N 1495653 эта периодичность составляет 15 90 мин, по авторскому свидетельству СССР N 458624 глинозем подают через 2 6 мин порциями 1 3 кг с подогревом каждой порции по корке электролита.

При всем разнообразии способов и устройств введения сырья в электролит их объединяет следующее: вначале на корку из объемного дозатора поступает заданная порция глинозема (сырья), соответствующая производительности электролизера, количеству точек питания и периоду срабатывания, затем происходит проламывание корки электролита специальным штоком и подогретый глинозем проваливается в образовавшееся отверстие, вступая во взаимодействие с жидкой фазой электролита. Однако из этого же разнообразия (особенно это касается времени цикла периода пробивки корки) видно, что ни один из приведенных выше способов не учитывает кинетики зарастания и упрочнения электролитной корки, зависящей от физико-химических и геометрических условий ее образования. Поэтому в практике для гарантированного продавливания корки используют пневмоцилиндры, развивающие значительные усилия. Кроме того, не учитывается пропускная способность той или иной точки dM/dt. По понятным соображениям эта величина не постоянна во времени, т. е. dM/dt ≠ const, поскольку она зависит от целого ряда технологических, физико-химических и геометрических параметров расплава в ванне: температуры, криолитового отношения, заплесков электролита, расстояния от газосборного колокола до поверхности электролита, уровня электролита, дозировки сырья, наличия и скорости циркуляционных потоков расплава в данной точке питания и т. д. Практически все параметры, перечисленные выше, не постоянны во времени и могут даже в течение одних суток сильно отличаться от соответствующих средних величин.

Под пропускной способностью точки принимается такой максимальный поток сырья (среднее количество сырья в единицу времени), который не приводит к появлению осадка на подине электролизера и интегрированию глинозема на корке электролита в месте его подачи и, следовательно, не участвующего в электролизе в заданном интервале времени.

Известен способ питания глиноземом алюминиевых электролизеров (см. Авторское свидетельсво СССР N 126271), по которому подачу глинозема через корку осуществляют с помощью вибрации. Однако стационарное расположение вибратора (вибрирующей его части) не учитывает способности электролитной корки возникать на разных горизонтах из-за постоянно меняющегося уровня электролита в ванне.

Наиболее близким способом по технической сущности является патент Финляндии N 89607 и соответствующее ему устройство по патенту N 89608. Согласно этим патентам сырье вводят в ванну через питатель в виде вертикальной трубы с проходящим по ее оси вибрирующим сердечником, которому сообщают продольные колебания амплитудой 0,5 1,5 см, предпочтительно 0,8 1,0 см, и частотой 11 40 Гц, предпочтительно 15 20 Гц. Питатели периодически с интервалом 30 60 мин вводят в контакт с поверхностью расплава. При этом вибрирующий шток движется через специальную коробку, нижний конец которой находится в корке электролита.

Испытания на АО "Красноярский алюминиевый завод" этого способа и устройства показали низкую эффективность предлагаемых решений и не были приняты к использованию. Прежде всего это обусловлено неприемлемо большими непроизводительными энергетическими затратами, связанными, как выяснилось, не столько с подачей глинозема в электролит, сколько с преодолением заклинивания рабочего органа в коробке ввода из-за сужения ее рабочего сечения, например, в результате заплескивания внутрь коробки электролита, либо наплесков электролита на вибрирующий шток, что в итоге приводит к напрессовыванию материала в коробке и останову его транспорта в расплав.

Интервал возвратно-поступательного движения вибрирующего штока 30 60 мин позволяет электролитной корке под ним приобрести значительную прочность, которая препятствует транспортированию глинозема в электролит и способствует накапливанию не введенного в процесс электролиза материала на корке и в коробке, что также приводит к заклиниванию штока и прекращению подачи сырья. Для восстановления работоспособности устройства требуются значительные усилия и продолжительное время.

К тому же, высокие амплитуды отклонения штока в прямоугольной с вертикальными стенками коробке (размах колебаний 2А вибрирующего штока составляет 10 30 мм) приводит к торможению сыпучего материала в ней, так как гравитационного воздействия становится недостаточно для поступательного движения материала вниз. Это тормозит транспорт сырья выше колокола даже в случае свободной от корки поверхности электролита происходит как бы уменьшение пропускной способности коробки ввода.

Таким образом, суть способа практически мало отличается от описанных ранее: допускается образование корки электролита, затем она через 30 60 мин проламывается. Роль вибрации здесь вспомогательная: в основном уменьшить силы трения в коробке ввода, что приводит к снижению энергозатрат. Эффективность организованной по этому способу точки питания (по пропускной способности) очень низкая: большую часть времени заявленного периода срабатывания (30 60 мин) глинозем лежит на корке, не участвуя в растворении и электролизе даже при непрерывной подаче сырья в верхнюю часть коробки ввода. При 4-точечном питании электролизера силой тока 165 кА через одну точку требуется вводить примерно 400 г/мин. За 20 40 мин интеграл составит 8 16 кг. При плотности глинозема примерно 1 объем этого глинозема будет соответствовать объему коробки ввода. Очевидно, что за одно продавливание указанное количество глинозема не сможет быть погружено в электролит, так как плотность расплава более чем в 2 раза выше плотности глинозема. Из этого следует, что через несколько циклов произойдет переполнение коробки ввода и, как минимум, ограничение пропускной способности точки в несколько раз. В итоге, как правило, происходит заклинивание рабочего штока.

Размещение нижней части коробки ввода в корке электролита также не целесообразно, поскольку при поддавливании анода во время выплавки металла или регулировании межполюсного расстояния уровень электролита может повысится настолько, что "заморозит" шток вибратора в коробке без возможности быстрого ремонта.

Частотный диапазон соответствует частотам общепромышленных пневматических двигателей. Однако влияние такой частоты рабочего органа на подачу глинозема в электролит сомнительно (даже с указанием дополнительной информации об интенсивности процесса). Нижняя граница заявленного частотного диапазона не соответствует современным знаниям по санитарной гигиене человека. Что касается верхней границы частоты вибратора, то даже в совокупности с заявленным амплитудным диапазоном (А 0,5 1,5 см) нельзя уяснить, остается ли при этом уровень интенсивности процесса постоянным и какова его абсолютная величина.

Таким образом, очевидно, что ни один из известных способов не учитывает физического состояния точек ввода сырья (сравнительно небольших областей поверхности электролита). Они могут быть "горячими" с открытой, плещущейся поверхностью электролита; "холодными" покрытыми слоем рыхлого сырья; застывшими перехваченными уже электролитной коркой на различных высотах относительно уровня электролита и т. д. Эти физические состояния точек питания в свою очередь зависят от постоянно меняющихся физико-химических параметров электролита уровня, температуры и криолитового отношения, объема настылей, температуры окружающей среды, наличия угольной пены и наплесков расплава, инициируемых протеками пека из трещин в аноде в данной точке, нестабильного характера газовыделений из-под анода, а также магнитогидродинамического режима ванны, отвечающего за скорость циркулирующих потоков в объеме расплава.

Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат по введению сыпучего сырья в электролит, повышение функциональных возможностей, а также повышение надежности питания (создание способа введения сырья в расплав, адекватного физическим состояниям точек питания).

Для достижения технического результата в способе точечного питания алюминиевого электролизера, включающего систему подачи сыпучего материала в расплав на основе механизмов возвратно-поступательного действия и вибрации, повторность возвратно-поступательного движения рабочего органа поддерживают в диапазоне 20 120 с, преимущественно 60 100 с, рабочий орган на стадии активного действия в зоне электролитной корки подвергают вертикальному вибрационному воздействию с амплитудой A₁ 1 5 мм (размахом 2A₁ 2 10 мм), преимущественно 2 4,5 мм, основные колебания рабочего органа модулируют колебаниями с частотой 0,5 10 Гц, амплитудой A₂ не более 15 мм, а также производят поточный нагрев порошка в виброкипящем состоянии, при этом время воздействия рабочего органа в нижней точке его хода устанавливают до 90 от времени цикла возвратно-поступательного движения, преимущественно 20 60
Дополнительно, точки питания электролизера работают по принципу замещения:
N → N-1 → N-1+1 → N,
где N количество точек номинального питания, а также в работу вибратора вводят паузу.

Из изложенного следует, что предлагаемый способ отличается от известных тем, что используемые в нем операции, их последовательность и время действия выбраны таким образом, что корка в месте ввода сырья не образуется, а канал питания находится в состоянии вибрационного проталкивания подогретого материала в электролит, имея при этом максимальную пропускную способность за счет вибрационной интенсификации процесса смачивания и растворения сырья в расплаве.

Повышение пропускной способности точки ввода материала в электролит определяет меньшее их количество в ванне, а также возможность по данному способу раздельной автоматической подачи разных сырьевых материалов, например через 3 точки подается глинозем, через четвертую фтористый алюминий.

Изложенная концепция предлагаемого способа определяет количественные характеристики используемых в нем операций, которые дополнительно указывают на достижение поставленных целей.

Техническая сущность способа заключается в следующем.

Состояние точек подачи сырья в электролит различно и постоянно меняется во времени. Это связано с физико-химическими характеристиками электролита (температура и вещественный состав), которые влияют на вязкость и циркуляцию расплава; уровнем электролита (изменения его достигают 10 см); условиями формирования и работы анода, что сказывается на локальных токовых нагрузках, выделениях угольной пены, тормозящей растворение глинозема, и анодных газов, определяющих вертикальную циркуляцию электролита, в том числе и образование наплесков расплава. Поэтому говорить о наличии электролитной корки на каком-то умозрительном горизонте в электролизной ванне (о чем упоминается практически в каждом патенте) и разрабатывать, опираясь на этот тезис, системы подачи сырья в электролизер не корректно. В лучшем случае такие устройства работают крайне неэффективно, особенно на электролизерах Содерберга.

В связи с этим необходимо создать универсальный способ ввода сырья в расплав, который был бы инвариантен практически к любым (кроме аварийных) ситуациям в зоне действия рабочего органа.

Экспериментальные данные показывают, что прочность электролитной корки определяется пропиткой расплавом сыпучего материала в течение определенного времени. В зависимости от температуры и объема поступающего материала время максимального набора прочности корки в питающей точке составляет 20 300 с, поэтому для сохранения высокой пропускной способности точки питания целесообразно поддерживать (прочищать) лунку в этом временном интервале не замерзшей, а не пробивать ее каждый раз заново, к тому же, затрачивая значительные усилия. Опытным путем установлено, что при питании электролизера через 2 4 точки достаточен интервал срабатывания рабочего органа для прочистки лунки в диапазоне 20 120 с, когда корка на поверхности электролита не образуется, а учитывая требования производства, минимизировать объем оборудования на ванне, при сохранении надежности питания, этот интервал сужается до 60 100 с при постоянном использовании 2 3 точек питания.

Эффективность такого режима прочистки лунки в корке электролита возрастает, если на стадии активного в ней действия рабочий орган подвергают вертикальному вибрационному воздействию с амплитудой A₁ 1 5 мм (размах 2A₁ 2 10 мм), преимущественно 2 4,5 мм. Эти величины не дают фонтанирования порошка под колоколом при взаимодействии его с рабочим органом, приводящего к пылеуносу, и энергетически достаточны для эффективного транспортирования материала в расплав.

Модуляция колебаний рабочего органа дополнительными колебаниями частотой 0,5 10 Гц с амплитудой A₂ до 15 мм дает возможность вибрирующему рабочему органу в случае возникновения временных сопротивлений в лунке корки электролита раскачиваться с указанными выше параметрами и, тем самым, эффективно действовать в случае, например, появления обвалившихся кусков электролита от газообразного колокола, при этом сохраняется заданный темп основной вибрации рабочего органа. Предложенные параметры (частота и амплитуда) определены из потребной в этих случаях подводимой энергии и конструктивными (геометрическими) ограничениями механизмов, ее обеспечивающих.

Используя тепло отходящих газов, температура которых определяется степенью открытости электролита под колоколом, а также тепло нагретых конструкций, обеспечивают контактный нагрев виброкипящего слоя, подаваемого материала по мере продвижения его через устройство ввода к поверхности электролита. Эта операция позволяет снизить отбор тепла непосредственно от поверхности электролита в месте ввода сырья, тем самым снизить вероятность ее замораживания. Вторая цель такой обработки поступающего материала снизить содержание влаги в подаваемом сырье для снижения потерь фтора.

В зависимости от состояния точки ввода сырья (например, уровень электролита низкий) и качества сырья, время действия рабочего органа в нижней точке его хода устанавливают до 90 от времени возвратно-поступательного цикла, преимущественно 20 60 за счет чего возрастает пропускная способность точки ввиду длительной вибрационной интенсификации процесса смачивания и растворения сырья в расплаве.

Поддержание высокой пропускной способности точки ввода сырья в электролит позволяет уменьшить их количество на ванне, а, следовательно, дает возможность по предлагаемому способу раздельной автоматической подачи разных сырьевых материалов, например через три точки подают оксид алюминия, через четвертую фторид алюминия.

Универсальность способа определяет и то, что материал в электролизер загружают через большее или меньшее количество точек, определяемых не только мощностью электролизера, но и качеством сырья, которые периодически останавливают в случае возникновения трудностей по транспортированию сырья в расплав, например при очень низком уровне электролита после выливки металла, и подключают к работе следующие по усмотрению оператора или автоматически, по принципу замещения: N → N-1 → N-1+1 → N, где N количество точек номинального питания, тем самым осуществляя некоторую цикличность их работы, сохраняют текущую дозировку материала, а в работу вибратора вводят паузу с целью экономии сжатого воздуха, когда нет трудностей при прочистке лунки в корке и подаются малые объемы материала через точку питания, например фторида алюминия.

Пример осуществления способа на промышленном электролизере Содерберга на 165 кА (общая потребность в глиноземе 1,6 1,7 кг/мин).

Рабочий орган подсоединен, например, к пневматическому автогенераторному двигателю с расчетной частотой (общепромышленного диапазона) 28 Гц и амплитудой A₁ 4,5 мм (размах 2A₁ 9 мм) при давлении в вибрационной камере 0,1 МПа, имеющему пневматический мембранный возвратно-поступательный механизм с рабочим давлением 0,05 МПа, а также реактивную массу с расчетной частотой свободных колебаний 1,5 Гц, с конструктивно обеспеченным размахом ее колебаний до 2A₂ 20 мм (эти колебания реактивной массы автоматически возникают и накладываются на основные колебания (28 Гц) рабочего органа в случае ударного его торможения в лунке электролитной корки).

Одним из известных устройств обеспечивают виброобработку материала, например, с интенсивностью 14g, для поточного подогрева его по мере прохождения через устройство ввода сырья, а также далее в расплав через корку электролита, в лунке которой эта обработка продолжается. В зависимости от степени укрытости поверхности электролита слоем корки и глинозема, величиной его потока, температуры материала может варьироваться от 200 до 700^oC.

Стратегия применения установленного оборудования.

В случае использования труднорастворимого, мелкодисперсного глинозема (худший вариант) и технологически нормального уровня электролита и его температуры задействуют три точки питания ванны: две точки постоянно, одна в резерве, четвертая точка для питания фторида алюминия. Повторность включения возвратно-поступательного механизма 90 с, время нахождения рабочего органа в нижней точке 50 с.

Персональное автоматическое управление каждой точкой питания позволяет переключать питающие оксидом алюминия точки по схеме 2 → 2-1 → 2-1+1 → 2, а в работу четвертой точки питания (фторидом алюминия) ввести паузу в работу вибратора 25 с.

Длительная проверка способа в промышленных условиях ведения процесса электролиза алюминия на Иркутском алюминиевом заводе при разной сезонной температуре атмосферного воздуха показала инвариантность его по отношению к меняющимся условиям ввода сырья через электролитную корку, целесообразность решения поддерживать лунку в работоспособном состоянии за счет небольшой вибрационной энергии, подаваемой к рабочему органу, чем допускать упрочнения корки в месте ввода сырья и затрачивать значительные усилия при ее ломке.

Предлагаемые положения способа позволяют легко осуществить гибкую автоматическую систему управления работой каждой точки питания электролизера независимо от другой, с использованием разных сырьевых компонентов, в первую очередь глинозема и фтористого алюминия.

Использование: изобретение относится к электролитическому получению алюминия на электролизерах Содерберга и преследует задачу снижения энергетических затрат по точечному введению сыпучего сырья в электролит, а также повышения надежности способа, элементы которого учитывают меняющиеся физические состояния точек питания. Сущность: в способе точечного питания электролизера, включающего систему подачи сырья в расплав на основе механизмов возвратно-поступательного действия и вибрации, интервал возвратно-поступательного движения рабочего органа поддерживают в диапазоне 20 - 120 с, преимущественно 60 - 100 с, рабочий орган подвергают вибрационному воздействию с амплитудой 1 - 5 мм, преимущественно 2 - 4,5 мм, при этом колебания рабочего органа модулируют колебаниями частотой 0,5 - 10 Гц с амплитудой до 15 мм, материал перед подачей в расплав в потоке нагревают в виброкипящем состоянии, время воздействия рабочего органа в нижней точке его поступательного хода устанавливают до 90 % от времени возвратно-поступательного цикла, точки питания электролизера работают по принципу замещения и в работу вибратора вводят паузу. 4 з. п. ф-лы.

1. Способ точечного питания алюминиевого электролизера, включающий подачу сыпучего материала в расплав и наложение вертикального возвратно-поступательного движения и вибрационного воздействия на подаваемый материал в зоне электролитной корки посредством рабочего органа, отличающийся тем, что амплитуду вибрации рабочего органа поддерживают равной 1 5 мм, интервал возвратно-поступательного движения рабочего органа поддерживают в диапазоне 20 120 с, а время воздействия рабочего органа в нижней точке его поступательного хода устанавливают до 90% от времени возвратно-поступательного цикла, причем перед подачей материала в расплав электролита ведут поточный нагрев его в виброкипящем состоянии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду вибрации рабочего органа поддерживают равной 2,0 4,5 мм, интервал возвратно-поступательного движения рабочего органа поддерживают в диапазоне 60 100 с, а время воздействия рабочего органа в нижней точке его поступательного хода устанавливают до 20 60% от времени возвратно-поступательного цикла. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что колебания рабочего органа модулируют колебаниями 0,5 10,0 Гц с амплитудой 15 мин. 4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что точки питания электролизера сырьем работают по принципу замещения N → N-1 → N-1+1 → N где N количество точек номинального питания. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что вибратор действует периодически.