СПОСОБ ПОДАЧИ СЫРЬЯ В АЛЮМИНИЕВЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР Российский патент 1997 года по МПК C25C3/08 

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия, в частности, к получению его на электролизерах с самообжигающимся анодом, имеющих автоматические устройства подачи сыпучих сырьевых компонентов в расплав электролита.

Необходимость непрерывного питания сырьем электролизеров очевидна, однако до сих пор эта проблема успешна решена лишь для электролизеров с предварительно обожженными анодами.

Что касается электролизеров с непрерывным, самообжигающимся анодом, то несмотря на большое количество предложенных за последние 20-30 лет оригинальных технических решений, в основной массе производств используется традиционная технология загрузки сырья в расплав, предусматривающая периодическое, например, 1 раз в 2 ч разрушение значительной части периферийной электролитной корки с последующей подсыпкой неконтролируемой порции свежего оксида алюминия.

Неудовлетворительные экологические и технологические показатели традиционной технологии подачи сырья в электролизер Содерберга принуждают затрачивать значительные усилия по разработке способов точечного питания, не предусматривающих вскрытия электролитной корки и позволяющих вести процесс электролиза в автоматическом режиме.

Процесс точечного питания, как правило, обеспечивается стационарно устанавливаемыми на электролизере периодического действия механизмами разрушения электролитной корки, образующейся в месте ввода сырья и подачей в образовавшийся пролом новой его порции, предварительно подогретой на корке. Цикличность разрушения корки и подачи порции сырья по патенту Франции N 1495653 составляет 15-90 мин.

Однако при этом не учитывается кинетика зарастания и упрочнения электролитной корки, зависящей от физико-химических и геометрических условий ее образования. Из-за этого на практике для гарантированного разрушения образовавшейся корки пользуются мощными механизмами, развивающими значительные усилия.

Кроме того, не учитывается возможность точки питания по номинальной пропускной способности величине сырьевого потока G=dm/dt, который с одной стороны не приводит к замораживанию точки ввода и накоплению на корке сырья, не участвующего в электролизе в заданном интервале времени. С другой стороны, определяет оптимальное количество питающих точек на конкретном электролизере в соответствии с его производительностью.

Величина пропускной способности G зависит от целого ряда технологических, физико-химических и геометрических параметров расплава в точке ввода: температуры, криолитового отношения, заплесков электролита, его уровня, дозировки сырья, наличия и скорости циркуляционных потоков расплава и т. д. Поскольку практически все перечисленные параметры нестабильны во времени, величена пропускной способности точки питания даже в течение суток может сильно отличаться от среднего значения.

Наиболее близким способом по технической сущности является способ, по которому сырье подают в электролизер через каждые 2-6 мин порциями 1-3 кг с предварительным подогревом каждой порции на корке электролита с помощью стационарно устанавливаемых на каждом электролизере и управляемых дистанционно пробивных и дозирующих устройств.

Однако и по данному способу также в начале допускают образование корки на поверхности электролита, для пробоя которой требуются пневматические цилиндры больших диаметров (150-200 мм) и значительные рабочие давления сжатого воздуха (0,7-0,8 МПа). Ясно, что пропускная способность в точке питания при этом не соответствует максимально возможной, т. к. возникая, корка отделяет сырье от расплава. Поэтому для подачи в электролизер номинального потока оксида алюминия требуется неоправданно завышенное количество точек питания. Особенно быстро образуется корка на электролизерах Содерберга при периферийном расположении точек ввода сырья (по сравнению с электролизерами, использующими обожженные аноды и центральное расположение точек ввода). Кроме того, пропускная способность точки питания значительной степени зависит от типа применяемого сырья "мучнистый" глинозем отечественного производства обладает более низкой скоростью растворения, чем импортный "песчаный".

Техническим результатом является снижение энергетических затрат по введению сыпучего сырья в электролит, повышение функциональных возможностей и надежности питания.

Для достижения этого результата в способе точечного питания, включающего возвратно-поступательное перемещение рабочего органа и подвод в его активную зону сырья, интервал времени возвратно-поступательного движения рабочего органа поддерживают в диапазоне 10-120 с. Кроме того, величину потока сырья в точку задают, исходя из ее максимальной пропускной способности.

Предлагаемый способ отличается от известных тем, что последовательность и время действия используемых в нем операций выбраны таким образом, что корка в месте сырья не образуется, что естественным образом определяет более низкие энергетические затраты из-за отсутствия необходимости разрушения корки, а пропускная способность точки при этом близка к максимальной.

Увеличение пропускной способности точки ввода сырья до максимальной повышает надежность предлагаемого способа, а также позволяет расширить функции устройств автоматического питания электролизера за счет уменьшения количества работающих точек подачи оксида алюминия, а высвободившуюся точку подключить для автоматического корректирования расплава электролита, например, по величине криолитового отношения путем подачи через нее фторида алюминия.

Техническая сущность способа заключается в следующем.

Экспериментальные данные показывают, что электролитная корка в месте ввода сырья образуется не сразу и определяется скоростью пропитки расплавом сыпучего материала. Это связано с физико-химическими характеристиками электролита (температура, вещественный состав), которые влияют на вязкость и циркуляцию расплава, его уровень (объем электролита в точке питания), условиями формирования и работы анода, что сказывается на локальных токовых нагрузках, выделении угольной пены (тормозящей растворение оксида алюминия) и анодных газов, определяющих образование турбулентных вихрей расплава, влияющих на массообменные процессы в точке ввода, а также интенсивностью подачи в точку ввода сырья и его качеством.

В зависимости от перечисленных выше условий интервал времени, в котором корка еще отсутствует в точке ввода с момента ее разрушения, по опытным данным составляет 0-120 с. Поэтому для сохранения высокой пропускной способности точки питания целесообразно поддерживать с помощью рабочего органа поверхность электролита не замерзшей.

Учитывая требования производства минимизировать объем оборудования на ванне, при сохранении надежности питания этот интервал сужается преимущественно до 50-100 с при постоянном использовании для подачи оксида алюминия 2-3-х точек питания. Уменьшать время повторных (последующих) включений рабочего органа меньше 10 с нецелесообразно по двум причинам: во первых, увеличиваются непроизводительные затраты энергии (энергоносителя - сжатого воздуха или электроэнергии), во вторых, как правило, механизмы возвратно-поступательного движения, например, пневмоцилиндры, имеют ограниченный ресурс циклов срабатывания, следовательно, их замена будет происходить значительно чаще, чем по предлагаемому способу, поскольку пропускная способность точки зависит от частоты срабатывания рабочего органа не пропорционально, а по кривой с насыщением.

Пример осуществления способа на промышленном электролизере Содерберга силой тока 132 кА (общая потребность в глиноземе 1,4 кг/мин, во фториде алюминия 15-20 кг/сут.)
Рабочий орган подсоединен к пневмоцилиндру. Поскольку по предлагаемому способу образования корки в точке ввода не допускается, можно использовать менее дорогие пневмоцилиндры меньшей мощности с рабочим давлением сжатого воздуха, распространенным в промышленности 0,6 МПа, против обычно требуемого 0,7-0,8 МПа. В случае применения хорошо растворимого, крупнокристаллического глинозема и технологически нормального уровня электролита и его температуры (оптимальный вариант) задействуют 2 точки питания электролизера. Третья точка питания является в этом случае резервной и служит для усиленного питания ванны, например, до или после анодного эффекта (для его предупреждения или ликвидации). Время повторного (последующего) срабатывания возвратно-поступательного механизма пробоя корки устанавливают равным 90 с. При этом обеспечивают величину потока глинозема через каждую точку ввода с помощью одного из известных устройств объемного дозирования, равную 0,7 кг/мин. Третью точку питания подключают после ликвидации анодного эффекта на время, определяемое, например, из интервала между двумя последними анодными эффектами. Автоматическую корректировку расплава электролита фторидом алюминия производят через 4-ю точку питания электролизера в течение суток, например, объемным дозатором из расчета 0,7 кг/мин, время работы которого задают, исходя из необходимой величины коррекции (по данным лаборатории).

Длительная проверка способа в промышленных условиях ведения процесса электролиза алюминия на Иркутском алюминиевом заводе показала целесообразность решения поддерживать канал на поверхности электролита в точке ввода сырья не замерзшим с целью увеличения его пропускной способности за счет более интенсивной и оптимальной работы возвратно-поступательного механизма привода рабочего органа (пробивочного устройства).

Использование: изобретение относится к производству алюминия, в частности, к способу подачи сырья в алюминиевый электролизер. Сущность: в способе подачи сырья в алюминиевый электролизер, включающем возвратно-поступательное перемещение рабочего органа и подвод в его активную зону сыпучего материала, время повторного (последующего) срабатывания рабочего органа устанавливают в пределах 10-120 с, преимущественно 50-100 с, величину потока сырья в точку задают в соответствии с ее максимальной пропускной способностью. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ подачи сырья в алюминиевый электролизер, включающий возвратно-поступательное перемещение рабочего органа и подвод в его активную зону сыпучего сырья, отличающийся тем, что время повторных срабатываний рабочего органа устанавливают в пределах 10 120 с, а величину потока сырья в точку задают в соответствии с ее максимальной пропускной способностью. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время повторных срабатываний рабочего органа устанавливают в пределах 50 100 с.