СПОСОБ ПУСКА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ПОСЛЕ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА Российский патент 2002 года по МПК C25C3/06 

Предлагаемое изобретение относится к электролитическому производству алюминия из криолит-глиноземных расплавов и может быть использовано при пуске алюминиевого электролизера после капитального ремонта.

Пусковой период является важной составной частью технологического цикла и существенно влияет на срок службы электролизера, сортность получаемого металла, стабильность технологического процесса.

Основные факторы, определяющие в конечном итоге качество пуска:
1) глубина и равномерность прогрева катодного устройства при обжиге;
2) состав пускового сырья (количество, соотношения между компонентами) и режимы его подачи в электролизер;
3) электрический режим пуска электролизера;
4) кинетика пропитки угольной футеровки расплавом.

Кроме того, для повышения технико-экономических показателей процесса электролиза, важной задачей является снижение эксплуатационных затрат пускового периода, как за счет снижения себестоимости пускового сырья, так и за счет снижения расхода электроэнергии, сокращения длительности пускового периода.

Поставленные задачи решаются использованием различных технических решений.

Известна технология ввода электролизера в эксплуатацию, включающая предварительный обжиг катодного устройства, загрузку пусковых материалов - вокруг анода на подину загружают слой фтористого кальция (600-800 кг), затем слой фтористого натрия и свежий криолит (5000-6000 кг), причем количество фтористого натрия должно быть таково, чтобы криолитовое отношение смеси составляло 2,9, заливку в ванну жидкого электролита - через специальные проемы в слое пусковых материалов заливают не менее 12 т электролита в возможно короткий срок (около 20 мин) при непрерывном подъеме анода, но так, чтобы анод оставался погруженным в электролит, наплавление электролита за счет загрузки свежего смешанного криолита или оборотного электролита; при этом поддерживают состояние непрерывного анодного эффекта в течение 1 ч при напряжении около 30 В и производят корректировку электролита фтористым натрием или содой (100-200 кг). Затем для дополнительного прогрева подины на ванне поддерживают напряжение 7-10 В. После наплавления необходимого уровня электролита в течение 6-12 ч заливают 4-6 т алюминия и выводят ванну на нормальный технологический режим, постепенно снижая напряжение до рабочего. (Электрометаллургия алюминия и магния. М. М. Ветюков, А. М. Цыплаков, С. Н. Школьников, М., "Металлургия", 1987 г., с.112-114, [1]).

Недостатки известного решения: повышенный расход электроэнергии на пуск, значительные потери фтористых солей (пылегазоунос, пирогидролиз и испарение фторсодержащих компонентов пусковой шихты).

Известен способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающий загрузку пускового материала в шахту, заливку расплавленного электролита, электрическое включение электролизера на повышенное напряжение, снижение его до рабочего и заливку жидкого металла, в котором в качестве пускового материала используют твердый рафинированный оборотный электролит, имеющий криолитовое отношение 2,9-3,0 и содержащий 3,5-4,8 мас.% фтористого кальция, а снижение напряжения до рабочего ведут по графику
1 сутки - 9,0-7,0 В
2 сутки - 7,0-6,0 В
3 сутки - 6,0-5,6 В
5,6,7,8 сутки - 5,0-4,8 В
9 сутки - 4,8-4,5 В
(А.с. СССР 1752829, С 25 С 3/06, 1992 г., [2]).

В предлагаемом решении снижаются потери фтористых солей (пылегазоунос, пирогидролиз) за счет использования на пуске твердого рафинированного оборотного электролита.

Вместе с тем, существенный недостаток - значительный расход электроэнергии на предварительное проплавление пускового сырья и поддержание температуры электролита.

Известен способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта (Патент РФ 2128732, С 25 С 3/06, 1999 г. [3]).

В известном способе, включающем загрузку пусковой шихты, содержащей свежий криолит, фтористый кальций, натриево-алюминиевые фториды и натрийсодержащий компонент, заливку электролита, электрическое подключение электролизера и заливку металла, в качестве натрийсодержащего компонента используют кальцинированную соду и поддерживают ее содержание в составе пусковой шихты 20-50 мас. %; в зависимости от технологических потребностей в качестве натриевоалюминиевых фторидов используют смешанный криолит и/или оборотный электролит в количестве не более 50 мас. % от массы свежего криолита.

Использование известного решения позволяет снизить эксплуатационные расходы на пуск электролизера за счет замены фтористого натрия (NaF) на более дешевый компонент - соду (Nа₂СО₃), снизить поступление в электролит примеси кремния с фтористым натрием, т.е. сократить срок вывода электролизера на выпуск высокосортного металла.

Вместе с тем, известное решение имеет существенные недостатки.

При загрузке в пусковой электролизер шихты, в состав которой входят свежий криолит (К.O.=1,67) и кальцинированная сода, протекает реакция:
4Na₅Al₃F₁₄+9Na₂CO₃=6Na₃AlF₆+20NaF+3Al₂O₃+9CO₂ (1).

В соответствии с реакцией (1) при разложении 1т Na₂CO₃, в газовую фазу выделяется 800-1000 м³ углекислого газа, что приводит к повышению пылеуноса загружаемого сырья, в основном свежего криолита (средняя крупность частиц - 30-35 мкм). Разложение соды, кроме того, сопровождается значительным поглощением тепла и для компенсации этих потерь тепла необходимы дополнительные затраты электроэнергии.

Взаимодействие свежего криолита с кальцинированной содой по реакции (1) приводит к образованию трехмодульного криолита (tпл.=1008^oС), фтористого натрия (tпл.=996^oС) и оксида алюминия (tпл.=2050^oС).

Образование вышеуказанных соединений приводит к повышению температуры плавления электролита и его вязкости. Для поддержания необходимых теплофизических параметров электролита в этом случае необходимы дополнительные затраты электроэнергии.

Известен способ подготовки подины электролизеров для получения алюминия к эксплуатации, включающий разогрев подины, заливку расплава солей, выбранных из группы, содержащей фториды и хлориды алюминия, кальция, магния, и подключение электролизера в цепь постоянного тока, в котором в расплав дополнительно вводят натрийсодержащие соединения, предпочтительно фтористый натрий, соду, криолит, повышая постепенно их содержание в интервале от 5 до 20% (вес. ), причем, натрийсодержащие соединения вводят в несколько приемов с выдержкой между вводом каждый порции 4-10 часов (А.с. СССР 824690, С 25 С 3/06, 1985 г., [4]).

По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение принято в качестве ближайшего аналога.

Введение в известном решении в расплав солей соды нецелесообразно по вышеизложенным причинам [3]. Введение на пуске фтористого натрия и свежего криолита приводит к повышенному расходу фтористых солей, что снижает эффективность процесса.

Задачей предлагаемого решения является повышение технико-экономических показателей процесса электролиза.

Техническим результатом является сокращение расхода свежих фтористых солей, снижение потерь фтористых солей и вредных выбросов в пусковой период, снижение расхода электроэнергии на пуск.

Технический результат достигается тем, что в способе пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающем загрузку части пускового твердого сырья по периферии катодного устройства, обжиг подины, заливку жидкого электролита, электрическое подключение электролизера, подачу в ванну твердых пускового сырья и заливку жидкого металла, в ванну в качестве твердых фтористых солей подают смесь флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес. % от общего веса твердого сырья, причем поддерживают весовое соотношение флотационного и регенерированного криолита в подаваемой смеси равным 2,5-5,0:1, а влажность смеси - 0,6-1,7%.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

В составе твердого пускового сырья вместо свежего криолита, кальцинированной соды, смешанного криолита и оборотного электролита используют смесь флотационного и регенерированного криолитов (смешанный криолит) в количестве 70-95% от общего веса твердого пускового сырья.

Предлагаемая смесь при определенном соотношении флотационного и регенерированного криолитов (2,5-5,0:1) является сбалансированным по Na и F пусковым сырьем и с успехом заменяет многокомпонентную шихту, заявленную в прототипе.

Оптимальное соотношение флотационного и регенерированного криолита в твердом пусковом сырье в основном определяется
- криолитовым отношением жидкого электролита, используемого на пуске электролизера;
- криолитовым соотношением флотационного и регенерированного криолитов;
- энергетическим режимом пуска (конечная температура обжига подины, продолжительность и напряжение пусковой вспышки, температура электролита, график снижения рабочего напряжения.

В случае, когда состав залитого в пусковой электролизер жидкого электролита соответствует заданному, когда соотношение флотационного и регенерированного криолитов близко к оптимальному или когда криолитовое отношение используемого при пуске жидкого электролита отличается от заданного, количество смешанного криолита в составе твердого пускового сырья снижается до 70%. Оставшиеся 30% приходятся на добавки, корректирующие криолитовое отношение электролита в пусковом электролизере (для закисления электролита - AlF₃, свежий криолит; для защелачивания электролита - NaF, Nа₂СО₃).

При наплавлении уровня возможна также подача твердого оборотного электролита.

Способ пуска алюминиевого электролизера по данной технологии с использованием предлагаемого состава пусковой шихты позволяет снизить расход и потери фтористых солей за счет пылеуноса и испарения, стабилизации криолитового отношения в пусковой ванне, снижения расхода электроэнергии (снижение температуры электролита). Вышеуказанные результаты достигаются соотношениями загружаемых компонентов пусковой шихты.

Подача в ванну твердых фтористых солей в виде смеси флотационного и регенерированного криолита после электрического подключения электролизера и заливки жидкого электролита связана с необходимостью наплавления требуемого уровня электролита, а количество смеси обусловлено следующим.

При подаче в электролизер смеси флотационного и регенерированного криолита менее 70% от общего веса твердого пусковою сырья необходимо использование другого фторсодержащего сырья, например свежего криолита и/или соды, для наплавления требуемого технологического уровня электролита заданного состава. Это приведет к снижению ТЭП за счет удорожания пуска электролизера и увеличения потерь фтористых солей.

Подача смеси более 95 вес.% от общего веса твердою фторсодержащего невозможна по технологическим причинам, т.к. в составе пусковой шихты неприменно должны присутствовать добавки (CaF₂, MgO, MgCO₃), суммарное количество которых в составе твердого пускового сырья составляет не менее 5%.

Поддержание весового соотношения в смеси флотационного и регенерированного криолита равным 2,5-5,0:1 необходимо для стабилизации криолитового отношения наплавляемого электролита и для снижения расхода (потерь) фтористых солей. При весовом соотношении флотационного криолита к регенерированному менее 2,5:1 увеличиваются потери фтористых солей (а следовательно, и их расход) за счет пылеуноса конвективными газовыми потоками с поверхности электролита. Повышенному пылеуносу подвержен регенерированный криолит, поскольку средняя крупность его частиц составляет 25-30 мкм (у флотационного криолита средняя крупность частиц 50-60 мкм). Кроме того, в этом случае возможно повышение криолитового отношения электролита в пусковом электролизере.

При весовом соотношении в смеси более 5:1 снижается криолитовый модуль загружаемого фтористого сырья и возникает необходимость дополнительной корректировки электролита для поддержания баланса по натрию (загрузка фтористого натрия, кальцинированной соды), что требует дополнительных трудозатрат, повышает расход сырья.

Кроме того, поддерживают влажность подаваемой смеси флотационного и регенерированного криолита 0,6-1,7 вес.%.

При влажности менее 0,6 вес.% смесь сухая и значительная ее часть теряется в виде пыли за счет интенсивных конвективных потоков газа с поверхности электролита.

При влажности более 1,7 вес.% возрастают потери фтора за счет пирогидролиза фторидов, кроме того повышенная влажность загружаемого сырья может привести к выбросам электролита.

От прототипа предлагаемое решение отличается тем, что
1) в качестве твердых фтористых солей в ванну подают смесь флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес. % от общего веса твердого пускового сырья;
2) поддерживают весовое соотношение флотационного и регенерированного криолитов в подаваемой смеси равным 2,5-5,0:1, а влажность - 0,6-1,7 вес. %.

Наличие в предлагаемом решении существенных отличительных признаков позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения "новизна".

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом и другими разработками, известными в этой области, выявленными в результате поиска по патентной документации и научно-технической информации, показал следующее:
- известна технология ввода электролизера в эксплуатацию, включающая предварительный обжиг подины катодного устройства, загрузку пусковых материалов - вокруг анода на подину слой фтористого кальция (600-800 кг), затем слой фтористого натрия и свежего криолита (5000-6000 кг), причем количество фтористого натрия должно быть таково, чтобы криолитовое отношение смеси составляло 2,9; заливку в ванну жидкого электролита (12 т), электрическое подключение и наплавление электролита за счет загрузки свежего, флотационного или оборотного электролита, поддержание состояния непрерывного анодного эффекта (U 30 В, 1 ч), корректировку электролита фтористым натрием или содой (100-200 кг), поддержание напряжения 7-10 В и заливку жидкого алюминия, вывод ванны на нормальный технологический режим [1];
- известен способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающий загрузку пускового сырья в шахту, заливку расплавленного электролита, электрическое подключение электролизера на повышенное напряжение, снижение его до рабочего и заливку жидкого металла, в котором в качестве пускового материала используют твердый рафинированный оборотный электролит, имеющий криолитовое отношение 2,9-3,0 и содержащий 3,5-4,8 мас.% фтористого кальция, а снижение напряжения до рабочего ведут по графику в течение 9 суток с 9,0 до 4,8-4,5 В. [2];
- известен способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающий загрузку пусковой шихты, содержащей свежий криолит, фтористый кальций, натриево-алюминиевые фториды и натрийсодержащий компонент, заливку электролита, электрическое подключение электролизера и заливку металла, в котором в качестве натрийсодержащего компонента используют кальцинированную соду и поддерживают ее содержание в составе пусковой шихты 20-50 мас.%, причем в зависимости от технологических потребностей в качестве натриевоалюминиевых фторидов используют смешанный криолит и/или оборотный электролит в количестве не более 50 мас. % от массы свежего криолита. [3];
- известен способ подготовки подины электролизеров для получения алюминия к эксплуатации, включающий разогрев подины, заливку расплава солей, выбранных из группы, содержащей фториды и хлориды алюминия, кальция, магния, и подключение электролизера в цепь постоянного тока, в котором, с целью увеличения срока службы электролизера за счет уменьшения прогиба подины в пусковой период, в расплав солей дополнительно вводят натрийсодержащие соединения, предпочтительно фтористый натрий, соду, криолит, повышая постепенно их содержание в интервале от 5 до 20% (вес.), причем натрийсодержащие соединения вводят в несколько приемов с выдержкой между вводом каждой порции 4-10 часов (а.с. СССР 824690, С 25 С 3/06, 1985 г. [4]).

В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся идентичными или эквивалентными сходными признаками с предлагаемым, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ осуществляется следующим образом.

В шахту электролизера по периферии подины катодною устройства равным слоем загружают фтористый кальций, производят газопламенный обжиг подины, заливку жидкого электролита (12-14 т), электрическое подключение электролизера, подают в ванну твердые фтористые соли для наплавления электролита в виде смеси флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес. % от общего веса твердого сырья, поддерживая весовое соотношение флотационного и регенерированного криолита в подаваемой смеси равным 2,5-5,0:1 и влажность смеси - 0,6-1,7 вес.%.

Пример 1. В шахту электролизера С-8БМ на подину равным слоем вокруг анода засыпают ~0,6 т СаF₂, после чего осуществляют газопламенный обжиг подины до t^o поверхности блоков 850-900^oС. По окончании обжига в электролизер заливают 12 т жидкого электролита с ванн-маток, осуществляют электрическое подключение электролизера.

На поверхность электролита пускового электролизера загружают смесь флотационного и регенерированного криолита с весовым соотношении 4:1 и влажностью 1,0% в количестве 7,8 т.

По мере проплавления пускового сырья и наплавления электролита, в электролизер заливают жидкий алюминий и начинают подгружать глинозем, постепенно увеличивая его загрузку до нормы.

Результаты других опытных пусков в сравнении с прототипом, приведены в таблице.

Как показывают результаты опытных пусков, предлагаемая технология позволяет снизить себестоимость пуска за счет сокращения потерь сырья, использования пускового сырья, являющегося продуктом переработки отходов электролитического получения алюминия, стабилизации криолитового отношения электролита, снижения расхода электроэнергии.

В послепусковой период, в зависимости от технологических потребностей, возможна корректировка электролита загрузкой компонентов, обеспечивающих его оптимальный технологический состав и свойства.

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия из криолит-глиноземных расплавов и может быть использовано при пуске алюминиевого электролизера после капитального ремонта. Для повышения технико-экономических показателей процесса электролиза за счет снижения расхода фтористых солей и расхода электроэнергии на пуск в способе пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающем загрузку части пускового твердого сырья по периферии катодного устройства, обжиг подины, заливку жидкого электролита, электрическое подключение электролизера, подачу в ванну твердых фтористых солей и заливку жидкого металла, в ванну в качестве твердых фтористых солей подают смесь флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес. % от общего веса твердого сырья, причем поддерживают весовое соотношение флотационного и регенерированного криолита в подаваемой смеси, равное 2,5-5,0: 1, а влажность смеси 0,6-1,7%. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающий загрузку части пускового твердого сырья по периферии катодного устройства, обжиг подины, заливку жидкого электролита, электрическое подключение электролизера, подачу в ванну твердых фтористых солей и заливку жидкого металла, отличающийся тем, что в ванну в качестве твердых фтористых солей подают смесь флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес.% от общего веса твердого сырья. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают весовое соотношение флотационного и регенерированного криолита в подаваемой смеси, равное 2,5-5,0: 1. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что влажность подаваемой смеси флотационного и регенерированного криолита поддерживают 0,6-1,7 вес.%.