СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C25C3/06 

Изобретение относится к металлургии легких металлов, в частности к электролитическому способу получения алюминия, и направлено на совершенствование подачи глинозема в расплав электролита и поддержание технологических параметров электролиза.

Известны различные способы и устройства, осуществляющие разрушение криолито-глиноземной корки, погружение ее в электролит и последующую загрузку глинозема на его поверхность. Разрушение корки производят с большой частотой в нескольких точках, погружение корки на всю глубину в объем электролита. При этом корку периодически разрушают по обоим продольным сторонам электролизера с полным погружением ее в электролит, очищают подину от образующегося осадка, особенно в местах подачи глинозема.

Общим недостатком известных способов и устройств можно считать следующие. Разрушение корки и погружение ее на всю глубину приводит к появлению осадков на подине, поскольку при этом разрушенные части корки достигают границы раздела "металл электролит", что, как известно, приводит к проникновению кусков корки в металл и образованию осадков. Загрузка глинозема на поверхность электролита приводит к снижению скорости растворения глинозема, поскольку в данном случае не используются объемы и потоки электролита по толщине его слоя. В результате при реализации известных способов несколько снижается стабильность концентрации оксида алюминия в электролите, что приводит к учащенному возникновению анодных эффектов, снижению производительности электролизера, возрастанию трудозатрат, увеличению расхода электроэнергии, потерям составляющих электролита с его открытой поверхности.

Наконец, погружение корки на всю глубину перед загрузкой глинозема приводит к погружению рабочего органа продавливающего устройства в расплав электролита, намерзанию электролито-глиноземной смеси на поверхность этого рабочего орана, что затрудняет его дальнейшую эксплуатацию.

Известен также способ питания алюминиевых электролизеров глиноземом, согласно которому погружение корки осуществляют путем осаждения ее в верхней зоне электролита на величину ее подработки /1/.

Погружение корки согласно известному способу трудно осуществимо, поскольку величина подработки криолито-глиноземной корки зависит от множества взаимосвязанных факторов, управлять которыми одновременно даже с помощью средств автоматизации не представляется возможным. Погружение корки в верхние слои электролита снижает эффективность использования массы электролита средних слоев, имеющих в пространстве "анод борт" более высокую температуру по сравнению с верхними слоями. Наконец, подсыпка глинозема на корку после ее осаждения приводит к агломерации криолито-глиноземной смеси и осаждению на поверхности рабочих органов устройства, затрудняющая их эксплуатацию.

В результате снижается общий уровень концентрации оксида алюминия в электролите и ее равномерность по всему объему, затрудняется эксплуатация устройства, что приводит к неравномерности и учащенности возникновения анодных эффектов, снижению производительности электролизера, возрастанию трудозатрат, расходу электроэнергии.

Одним из наиболее близких по технической сущности является известный способ и устройство автоматического питания глиноземом алюминиевых электролизеров, согласно которому пробивают корку одним или несколькими молотками и вводят в ванну порции глинозема, предварительно загруженного в соответствующих точках на корке. После пробивки на участки под молотками производится повторная загрузка глинозема. Корка разрушается через 15-20 мин, предпочтительно 20 45 мин поочередно то с одной, то с другой стороны электролизера. Под молотками для пробивки корки загружают более толстый слой глинозема во избежание образования толстых корок электролита. Под молотками для пробивки корки имеются устройства для накопления глинозема, расположенные на корке /2/.

Другим, наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является известный способ автоматического питания алюминиевых электролизеров глиноземом, включающий использование стационарных пробивных и дозирующих устройств, устанавливаемых на каждом электролизере, отличающийся тем, что, с целью стабилизации температуры и концентрации глинозема в электролите, глинозем подают в электролит через каждое 2-6 минт порциями в 1-3 кг с предварительным подогревом каждой порции на корке электролита /3/.

К общим недостаткам для известных способов можно отнести следующие.

1. Известные способы не обеспечивают режим непрерывности поступления глинозема в электролит и его распределения, поскольку периодичность разрушения корки и подачи глинозема в расплав, составляющие 15-20 мин и 2-6 мин с предварительным прогревом порций глинозема, соответствующим по времени указанным периодам разрушения корки, приводит к глубокому прогреву глинозема и смачиванию его жидким электролитом. При последующем срабатывании пробивных устройств их рабочие органы погружаются вместе с прогретым глиноземом в электролит, также смачиваются электролитом. Происходит агломерирование электролито-глиноземной смеси и ее налипание на поверхности рабочих органов пробивных устройств, затрудняющее их эксплуатацию.

2. Разовые порции глинозема в 1-3 кг и более в локальном объеме электролита приводят к возникновению нерастворимых осадков и увеличению объемов настылей в местах разрушения корки и подачи глинозема.

3. Согласно известному техническому решению, периоды прогрева порций глинозема зависят от периода полного цикла срабатывания устройства и, следовательно, могут существенно меняться. Это приводит к изменению режима растворения глинозема и тепломассообмена в электролите, появляется прямая зависимость между периодичностью подачи глинозема в расплав и временем прогрева глинозема, что затрудняет правильный подбор параметров алгоритма работы средств АСУТП.

В конечном итоге, все это снижает равномерность поступления глинозема в электролит, повышает величину колебания температуры расплава, приводит к появлению нерастворившихся осадков, нарушению циркуляционных потоков электролита, тем самым снижается производительность электролизера, возрастают расход электроэнергии, трудозатраты и выбросы вредных веществ в атмосферу.

С другой стороны, наблюдения показывают, что при эксплуатации в автоматическом режиме известных пробивных устройств могут быть периоды работы, когда пробойники при срабатывании попадают в свеженасыпанный объем глинозема на корке до агломерации смеси. При этом не происходит налипания смеси на пробойник. Эти периоды сравнительно небольшие по величине и зависят от таких факторов, как температура процесса, состав электролита, свойства глинозема, объем его разовой порции и время нахождения глинозема на корке. Появляются также условия предотвращения образования осадков, повышения точности подбора параметров алгоритма управления технологическим процессом и их поддержания средствами АСУТП.

Технический результат изобретения повышение производительности электролизера, снижение расхода электроэнергии, анодной массы, трудозатрат и выбросов вредных веществ в атмосферу.

Результат достигается тем, что при электролитическом получении алюминия в электролизе, включающем циклически повторяющуюся обработку электролизера путем периодического локального продавливания криолито-глиноземной корки попеременно по продольным сторонам электролизера, предварительной подачи дозированных порций глинозема в места разрушения корки, продавливание корки после предварительной подачи на нее порции глинозема производят на величину 0,25 0,75 высоты слоя электролита. Время между окончанием загрузки дозированной порции глинозема на корку и далее в электролит и началом последующего продавливания корки составляет не более 60 с, и не зависит от периода полного цикла обработки, причем полные циклы обработки одной и другой продольной сторон электролизера производят с равными промежутками времени между ними. Порции глинозема подают на корку в электролит массой 0,2-0,8 кг с периодичностью 30-110 с.

Продавливание криолито-глиноземной корки на величину 0,25-0,75 высоты слоя электролита позволяет погружать часть порции глинозема в электролит на указанную глубину, которой соответствуют максимальные значения температур и линейных скоростей циркуляции электролита. Таким образом, во-первых, наиболее эффективно используются средние по высоте и максимальные по скорости течения слои электролита для растворения части погружаемого глинозема. Во-вторых, после извлечения пробойника из расплава, параллельно с нижней частью порции глинозема смачивается электролитом и растворяется верхняя часть порции глинозема. Таким образом, косвенно увеличивается время растворения каждой порции глинозема. Это позволяет минимизировать возможность появления глиноземистых осадков на подине. Наконец, погружение пробойника, окруженного предварительно поданным на корку глиноземом на указанную глубину в слой электролита, исключает достижение нижним концом пробойника границы раздела "металл электролит", следовательно, исключается образование осадков. Вместе с этим исключается также и избыточное накапливание глинозема на корке и его выдавливание из-под газосборника; возрастает равномерность и непрерывность растворения глинозема в электролите, усредняется концентрация оксида алюминия в электролизере.

Выдержка времени между загрузкой порции глинозема на корку в электролит и началом последующего продавливания смеси, составляющая в пределах 0-60 с вне зависимости от периода полного цикла обработки обусловлена следующими обстоятельствами.

1. Порция глинозема, находящаяся на корке в пределах указанного периода до опускания пробойника, на успевает прогреться до температур подколокольного пространства и пропитаться составляющими электролита. При последующем погружении в нее нижней части пробойника, и далее вместе с пробойником в электролит, недостаточно прогретый глинозем хорошо "смачивает" стержень "холодного" пробойника, и одновременно плохо смачивается жидким электролитом. Это позволяет предотвращать контакт пробойника с электролитом и агломерирование смеси на стержне пробойника. Тем самым, облегчаются условия эксплуатации устройства, возрастает срок службы пробойников, снижается объем поступления примесей в алюминий. Наконец, указанный кратковременный период нахождения глинозема на корке, не зависящий от периода цикла обработки, приводит к стабильному режиму адсорбции фтористого водорода на глиноземе и эффективности возвращения его в процесс электролиза.

В результате, при любом изменении периода полного цикла обработки, зависящем от состояния технологических параметров электролиза в данное время, режим погружения пробойника и поступления порции глинозема в электролит становится боле стабильным и не зависит от величины периода полного цикла обработки. При этом указанный режим подачи глинозема позволяет предотвратить образование под пробойником толстой корки, пересыщенной глиноземом /агломерат/, что облегчает операцию погружения порции глинозема в расплав.

Конкретный выбор диапазона времени между загрузкой порции глинозема и началом продавливания глинозема зависит от таких факторов, как свойства глинозема, объем порции, температура расплава, концентрация глинозема в объеме электролита в зоне срабатывания пробойника, типа электролизера, его мощности и подбирается опытным путем.

Реализация циклов обработки одной и другой продольных сторон электролизера с равными промежутками времени друг от друга улучшает равномерность поступления глинозема в расплав, приводит к большей равномерности значений температур расплава, стабилизации электролиза.

Подача порций глинозема величиной 0,2 0,8 кг с периодичностью 30 110 с позволяет повысить равномерность поступления глинозема в электролит за время полного цикла, улучшает условия растворения, выравнивает и снижает среднюю температуру электролита по всему объему, способствует предотвращению образования агломерата и налипания его на пробойник.

На чертеже изображено устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ.

Устройство содержит самообжигающийся анод 1 с анодным кожухом 2 и газосборником 3. Анод 1 погружен в слой электролита 4, имеющий циркуляционные потоки, вызванные движением анодных газов. Наряду с этим движущийся слой жидкого электролита подчиняется общим законам движения потока жидкости, имеющего максимальную линейную скорость в середине высоты движущегося слоя, как показано на опоре 5 относительно вертикальной оси А-А. На границе электролита 4 и катодного металла 6 линейная скорость движения электролита наименьшая, а на границе с криолито-глиноземной коркой 7 также существенно ниже, чем в центре слоя.

Устройство содержит также пробойник 8 для погружения дозированных порций глинозема 9 в электролит 4 через газосборный колокол 3 /дозатор подачи глинозема на чертеже не показан/, гарнисаж 10 выше расплава, шток 11 контактного устройства 12, выполненные жестко на анодном кожухе 2 вместе с цилиндром 13 привода пробойника 8. Контактное устройство 12 соединено электрически с блоком коммутации 14, имеющим блок питания 15 и выход к блоку управления системы АСУТП /не показано/.

Устройство работает следующим образом. Подбирают опытным путем оптимальное расстояние h /"колокол электролит"/, монтируют устройство таким образом, чтобы при заданных значениях h, высоты H слоя электролита нижний конец пробойника 8 в крайнем нижнем положении находился в заданной B высоте слоя 4 электролита. При этом шток 11 не упирается в гарнисаж 10 или корку 7, и контакты устройства 12 разомкнуты. В процессе электролиза анод 1 расходуется, величина B уменьшается, шток 11 упирается в корку, поднимается вверх и замыкает контактами устройства 12 электрическую цепь блока коммутации 14. Формируется сигнал в блоке управления системы АСУТП на подъем анодного кожуха по заданной программе и вместе с анодным кожухом поднимают все устройство. При этом нижний конец пробойника 8 при срабатывании вновь оказывается в заданной высоте слоя 4 электролита. При срабатывании привода пробойника 3 происходит продавливание корки 7 через предварительно загруженную порцию глинозема 9. Пробойник 8 в этом случае окружен свежезагруженным глиноземом 9. Шток 11 и контактное устройство 12 могут быть расположены жестко на любом наиболее удобном для эксплуатации участке электролизера, например в торцах или углах. Шток 11 может упираться в корку /поскольку корка, как установлено при испытаниях систем АПГ, при длительном неразрушении упрочняется/, гарнисаж или в катодное устройство на любом участке. При этом, естественно, шток 11 снабжают узлом электроизоляции.

Контактное устройство 11, 12 может быть выполнено в одиночном варианте или в множественном, например по торцам анода. В этом случае устройство позволяет реализовать еще одну функцию АСУТП устранение перекоса анодного кожуха относительно поперечной оси в автоматическом режиме, при фиксировании этого нарушения в блоке информации АСУТП.

Таким образом, предложенный способ и устройство его реализации позволяют вести процесс подачи глинозема в электролит в наиболее оптимальном режиме совместно с автоматическим подъемом анодного кожуха и устранением его перекоса.

Пример реализации способа. На промышленном электролизере типа 0-8Б на силу тока 155 кА ведут процесс электролиза и подачу глинозема в электролит с использованием обрабатывающей техники, МНР-2М /электролизер-свидетель, базовый способ/. На другом промышленном электролизере того же типа процесс электролиза ведут в автоматическом режиме питания глиноземом согласно второму прототипу, причем дозированные порции глинозема загружают в проекции пробойников на корку предварительно, перед срабатыванием пробойников и затем после их срабатывания согласно первому прототипу /электролизер-свидетель/.

На третьем аналогичном электролизере монтируют устройство для реализации предлагаемого способа, как указано на чертеже, с четырьмя пробойниками 8 и дозаторами по продольным сторонам электролизера и ведут электролиз в автоматическом режиме питания глинозема в соответствии с предлагаемым способом /предлагаемый способ/. Величину продавливания корки варьируют в зависимости от высоты слоя H электролита. Также изменяют время между предварительной загрузкой порции глинозема и началом последующего продавливания корки (τ₁), периодичность между полными циклами обработки одной и другой продольных сторон электролизера (τ₂) Электролизер прототип и электролизер с предлагаемым способом подключают к средствам АСУТП типа "ШУЭБМ 4 1 ВМ" с соответствующими программами управления процессом электролиза. Электролизеры с базовым способом управляют посредством аналоговой системы "Алюминий-3А".

Исходные данные, а также осредненные результаты сравнительных испытаний базового способа, свидетеля и предлагаемого способа, полученные в течение 6 мес непрерывной работы, представлены в таблице.

В ходе испытаний наблюдали процесс протапливания криолито-глиноземной корки на всех трех опытных электролизерах.

Так, на электролизере с базовым способом рабочий орган МНР /фреза/ погружается в расплав электролита и смачивается им, образуется агломерат электролита с глиноземом. При этом ход фрезы четко фиксирован, и при любых различиях в положении хода слоя электролита имеет одну и ту же величину хода в вертикальном направлении, что и способствует периодическому достижению агломерата границы раздела "электролит металл", образованию осадков.

На электролизере-свидетеле, где реализован способ-прототип, пробойники не достигают границы раздела "электролит металл", однако погружаются и смачиваются электролитом, очевидно за счет того, что порции глинозема, отданные за 120 360 с /2 6 мин/ перед срабатыванием пробойников, прогреваются и также оплескиваются /смачиваются/ электролитом, переходят в состояние корки в проекции пробойников. Кроме этого, по известному способу сложно выдерживать заданную глубину пробойников в электролите, и периодически /особенно после выливки металла/ пробойники не достигают электролита, "повисают" над расплавом. Происходит накопление глинозема на корке и затем передозировка, образование осадков, увеличение объема настылей в проекции пробойников. Длина пробойников уменьшилась на 10,6% за 6 мес эксплуатации.

На электролизере с предлагаемым способом пробойники не достигают границы раздела "электролит металл", имеют заданную величину погружения в электролит и не "повисают" выше расплава. Порции глинозема стабильно поступают в слой электролита, растворяются в нем и не образуют осадков. Не увеличивается объем настылей. При этом за счет предварительно загруженной порции непосредственно перед срабатыванием пробойников, последние "смачиваются" свеженагруженным глиноземом и не смачиваются электролитом, остаются "сухими", с более низкой температурой. Это повышает надежность и работоспособность способа, снижает растворимость материала пробойников в расплаве; повышается срок их службы. Длина пробойников за 6 мес не изменилась.

Следовательно, дополнительным эффектом от использования предлагаемого способа следует считать уменьшение растворимости вредных примесей в катодном металле и увеличение срока службы пробойников.

Как видно из полученных результатов, предлагаемый способ позволяет снизить неравномерность поступления глинозема в электролит за счет подачи глинозема в средние слои электролита, предотвращения агломерирования расплава, большей равномерности во времени и меньших порций подаваемого глинозема.

Тем самым снижается частота анодных эффектов, средняя температура электролита на 3 10^oC, стабилизируется состояние защитных настылей, предотвращается образование "коржей" на подине, практически исключается образование осадков. В результате все это приводит к возрастанию производительности электролизера /на 27 29 кг алюминия в сутки/, снижению расхода электроэнергии и трудозатрат по подтягиванию осадка, снятию угольной пены и чистке пробойников от агломерата. Снижаются также расход анодной массы на 3 5,5 кг/т А1 и выбросы вредных веществ в атмосферу за счет снижения выхода угольной пены, процента разгерметизации электролизера /электролизер реже открывают/.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить технико-экономические и экологические показатели электролиза, снизить себестоимость эксплуатации устройств автоматизации. Способ реализуем с авт. св. СССР N 2038426 C 25 C 3/20.

Использование: металлургия легких металлов, в частности, электролитическое получение алюминия и поддержание технологических параметров электролиза. Сущность: продавливание криолито-глиноземной корки после предварительной подачи на нее порции глинозема происходят на величину 0,25-0,75 высоты слоя электролита. Период между загрузкой порции глинозема на корку и началом последующего продавливания корки составляет не более 60 с и не зависит от периода полного цикла обработки электролизера. Полные циклы обработки одной и другой продольной стороны электролизера производят с равными промежутками времени между ними. Порции глинозема подают на корку в электролит массой 0,2-0,8 кг с периодичностью 30-110 с. Технический результат - повышение производительности электролизера, снижение расхода электроэнергии, анодной массы, трудозатрат и выбросов вредных веществ в атмосферу. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ электролитического получения алюминия, включающий циклически повторяющуюся обработку электролизера путем предварительной подачи дозированной порции глинозема на криолитоглиноземную корку по продольным сторонам электролизера и периодическое продавливание корки в местах подачи глинозема, отличающийся тем, что продавливание корки производят на величину 0,25 0,75 высоты слоя электролита. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период между загрузкой порции глинозема на корку и началом продавливания составляет не более 60 с. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что обработку одной и другой продольных сторон электролизера производят с равными промежутками времени между ними. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что порции глинозема подают на корку в электролит массой 0,2 0,8 кг с периодичностью 30 110 с.