СПОСОБ ПУСКА АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2005 года по МПК C25C3/06 

Предлагаемое изобретение относится к электролитическому производству алюминия из криолит-глиноземного расплава и может быть использовано при пуске алюминиевого электролизера после капитального ремонта или монтажа нового электролизера.

Пусковой период является важной составляющей технологического процесса, в значительной мере определяющей стабильность технологического процесса, сортность получаемого металла и срок службы электролизера.

Основной недостаток существующих технологий пуска алюминиевых электролизеров, особенно после капитального ремонта - термические и механические разрушения подины, приводящие к нарушению целостности подины и преждевременному выходу электролизера из строя.

Одной из основных причин выхода из строя подины является "разбухание" подовых блоков за счет их насыщения натрием, их деформация вследствие изменения геометрических размеров и, в конечном итоге, нарушение целостности подины и выход электролизера из строя.

Взаимодействие натрийсодержащих компонентов электролита с углеродсодержащими материалами подины является основной причиной нарушения целостности подины и преждевременного выхода электролизера из строя. Механизм этого явления описан (А.И.Беляев, М.Б.Рапопорт, Л.А.Фирсанова "Электрометаллургия алюминия", с.149-154, М., 1953 г. Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии [1]).

Снижение отрицательных последствий этого взаимодействия достигается следующим:

- уменьшением пористости изготавливаемых угольных блоков ([1], с.151-153);

- "регулированием" процесса "пропитки" подины натрием, изменением электрического (теплового) режима пуска и созданием на подине защитного слоя из борсодержащих соединений (патент РФ №2118996, С 25 С 3/06, 1999 г. [2]).

Известные способы требуют значительных затрат и осуществление их в промышленных условиях затруднено в силу зависимости результата от значительного количества технических и технологических параметров.

В производственных условиях, как правило, в процессе пуска электролизера преследуются цели как обеспечения повышения срока службы электролизера, так и снижения расходов и потерь пускового сырья и сокращения пускового периода.

Вышеуказанное достигается введением в электролит различных добавок, изменяющих его свойства, вводом в электролит дозированных количеств различных натрийсодержащих соединений (поддержание концентрации натрия в различных количествах в электролите в разные промежутки пускового периода), использованием вторичного криолита и более дешевых видов сырья по сравнению со свежими фтористыми солями.

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 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 ч. (А.с. СССР №824690, С 25 С 3/06, 1985 [3]).

Следует отметить, что известная технология не обеспечивает в полной мере целостность подины, так как соли магния взаимодействуют с углеродистыми блоками подины и результат этого взаимодействия аналогичен натриевой "пропитке" углеродистых блоков. Кроме того, дозированная подача натрийсодержащих соединений с указанными временными интервалами увеличивает время пускового периода.

Известен 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, в котором в ванну в качестве твердых фтористых солей подают смесь флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес.% от общего веса твердого сырья, при этом поддерживают весовое соотношение флотационного и регенерированного криолита в подаваемой смеси, равное 2,5-5,0:1, а влажность смеси 0,6-1,7% (Патент РФ №2188256, С 25 С 3/06, 2002 г. [4]).

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

В известном решении достигается сокращение свежих фтористых солей в пусковой период, но не достигается в полной мере повышение стойкости подины и повышение срока службы электролизера.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей за счет снижения затрат на капитальный ремонт электролизеров.

Техническим результатом является повышение срока службы алюминиевого электролизера за счет повышения срока службы катодного устройства.

Технический результат достигается тем, что в способе пуска алюминиевого электролизера, включающем загрузку части пускового твердого сырья по периферии катодного устройства, обжиг подины, заливку жидкого электролита, электрическое подключение электролизера, подачу в ванну твердых фтористых солей в виде смеси флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес.% от общего веса твердого сырья, в составе смеси флотационного и регенерированного криолита в электролизер дополнительно подают литийсодержащий компонент в количестве 2,5-5,0 вес.% в пересчете на фтористый литий от общего количества смеси, причем в качестве литийсодержащего компонента подают литийсодержащий натриевый криолит и/или литиевый криолит.

От ближайшего аналога предлагаемое решение отличается тем, что в составе смеси флотационного и регенерированного криолита в электролизер дополнительно подают литийсодержащий компонент в количестве 2,5-5,0 вес.% в пересчете на фтористый литий от общего количества смеси, причем в качестве литийсодержащего компонента подают литийсодержащий натриевый криолит и/или литиевый криолит.

Наличие в предлагаемом решении отличительных признаков от ближайшего аналога позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Сравнительный анализ предлагаемого решения с ближайшим аналогом и другими известными решениями в данной области выявил следующее:

- известен способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, в котором в ванну в качестве твердых фтористых солей подают смесь флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес.% от общего веса твердого сырья и поддерживают их весовое соотношение 2,5-5,0:1 [4];

- известен способ электролитического получения алюминия, включающий загрузку в электролизер глинозема, фтористых солей и литийсодержащего компонента в виде гранулированных литийсодержащих фтористых солей, которые загружают в количестве 10-35 кг на тонну алюминия (содержание фтористого лития в электролите 1,9-3,5 мас.%) (патент РФ №2087595, С 25 С 3/06, 1997 г. [5];

- известна технология получения алюминия с использованием карбоната лития, который загружают в электролизер в количестве, обеспечивающем содержание фтористого лития в расплаве электролита 5% (патент ФРГ №1187808, 40 C 3/12, 1965 г.[6];

- известна технология электролитического производства алюминия, в которой к расплаву криолита добавляются соединения лития в виде фторида, карбоната, гидроокиси или алюмината лития в количестве 2-20% от веса электролита (английский патент №968014, С 7 В, 1962 г. [7].

Известные решения, в которых используются соли лития, применимы к технологически устоявшемуся процессу электролитического производства алюминия и направлены на снижение температуры электролита (снижение потерь фтористых солей) и на повышение электропроводности электролита (сокращение удельного расхода электроэнергии, повышение выхода по току). Следует также отметить, что значительные содержания лития в электролите нежелательны, т.к. это приводит к повышению содержания лития в товарном металле и к необходимости его рафинирования, т.е. к дополнительным затратам.

В предлагаемом решении литийсодержащие компоненты используют в пусковой период совместно с пусковым вторичным фторсодержащим сырьем, при получении которого в состав могут быть введены литийсодержащие компоненты (например, по технологии по патенту РФ №2147557, С 01 F 7/54, С 25 С 3/18, 2000 г. [8]).

В известном решении в результате взаимодействия компонентов образуются литийсодержащие соединения: литиевый криолит, литийсодержащий криолит, фтористый литий, т.е. фтористые соединения лития, которые затем подают в электролизер, повышая тем самым технико-экономические показатели процесса за счет использования уже подготовленного материала.

Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение стойкости катодного устройства, выполненного из углеродистых материалов, и на повышение срока службы электролизера. Таким образом, предлагаемое решение по своей направленности принципиально отличается от известных решений, а использование совокупности известных и неизвестных признаков позволяет получить более высокий технико-экономический результат.

В процессе анализа не выявлено технических решений, которые характеризовались аналогичной или идентичной совокупностью признаков с предлагаемым, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Радиус ионов Li⁺ составляет 0,68Å, а радиус ионов натрия Na⁺ составляет 0,97Å. Таким образом, предварительная подача литийсодержащих соединений в пусковой период обеспечивает предварительную пропитку углеродсодержащих материалов подины "менее опасным" с точки зрения "разбухания" и преждевременного нарушения целостности подины и досрочного выхода из строя подины катодного устройства ионами лития.

Ионы лития Li⁺ проникают в поры углеродистого материала подины и препятствуют проникновению в этот материал ионов натрия, что и обеспечивает более высокий срок службы катодного устройства и более длительный срок службы электролизера.

Количество литийсодержащего компонента (в пересчете на фтористый литий для однозначной загрузки лития) обусловлено следующим.

При загрузке литийсодержащего компонента (в пересчете на LiF) менее 2,5 вес.% не достигается желаемого результата как по целостности подины катодного устройства, так и по сроку его службы.

Загрузка литийсодержащих компонентов в пусковой период в количестве более 5,0 вес.% нецелесообразна, т.к. повышается содержание лития в товарном металле без улучшения других технико-экономических показателей процесса.

Литийсодержащий компонент подают в электролизер в составе пусковой твердой фторсодержащей шихты (флотационный и регенерированный криолит) для более полной и качественной переработки лития по "пропитке" углеродистой футеровки катодного устройства алюминиевого электролизера.

Предлагаемая технология реализуется следующим образом.

Пример 1. В шахту электролизера С-8БМ на подину ровным слоем вокруг анода засыпают ~0,6 т СаF₂, после чего осуществляют газопламенный обжиг подины до температуры поверхности блоков 850-900°С. По окончании обжига в электролизер заливают 12 т жидкого электролита из ванн-маток осуществляют электрическое подключение электролизера. На поверхность электролита пускового электролизера загружают смесь флотационного и регенерированного криолита с весовым соотношением 4:1 в количестве 7,8 т. Литийсодержащие компоненты содержатся в загружаемой смеси вторичного криолита, полученного по технологии, защищенной патентом РФ №2147557, С 25 С 3/18, 2000 г., в виде литиевого криолита, литийсодержащего криолита и фтористого лития в количестве 350 кг. По мере проплавления пускового сырья и наплавления электролита в электролизер заливают жидкий алюминий и начинают загружать глинозем, постепенно увеличивая его загрузку до нормы. Содержание фтористого лития в электролите ~3,8%, температура электролита - 945°С. Через 30 суток после пуска алюминиевого электролизера в промышленную эксплуатацию произведен контроль подины щупом - нарушений целостности не обнаружено. Содержание LiF в электролите - 0,01%, лития в товарном металле - следы (не обнаружено). Выход по току по сравнению с электролизерами-свидетелями вырос на 0,3%, сортность получаемого металла - А8.

Следует отметить, что в качестве литийсодержащих компонентов возможно использование других компонентов, например карбоната лития, алюмината лития. В этом случае возрастает расход реагентов (что впрочем компенсируется их достаточно низкой стоимостью), повышается общее количество загружаемой смеси, частично возрастает расход свежих фтористых солей, необходимых для поддержания необходимого криолитового отношения электролита.

Опытные пуски электролизеров (по примеру) с различной загрузкой литийсодержащих компонентов в заявляемых пределах подтверждают эффективность и перспективность предлагаемой технологии при использовании ее в пусковой период работы алюминиевого электролизера. Предполагаемое повышение срока службы электролизера на 15-20%.

Способ может быть использован при пуске алюминиевого электролизера после капитального ремонта или монтажа нового электролизера. При пуске электролизера загружают часть пускового сырья по периферии катодного устройства, обжигают подину, заливают жидкий электролит, осуществляют электрическое подключение электролизера и подают в ванну твердые фтористые соли в виде смеси флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес. % от общего веса твердого сырья. Подача в составе смеси флотационного и регенерированного криолита литийсодержащего компонента в количестве 2,5-5,0 вес. % в пересчете на фтористый литий от общего количества смеси повышает срок службы катодного устройства и всего электролизера. В качестве литийсодержащего компонента подают литийсодержащий натриевый криолит и/или литиевый криолит. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ пуска алюминиевого электролизера, включающий загрузку части пускового сырья по периферии катодного устройства, обжиг подины, заливку жидкого электролита, электрическое подключение электролизера, подачу в ванну твердых фтористых солей в виде смеси флотационного и регенерированного криолита в количестве 70-95 вес.% от общего веса твердого сырья, отличающийся тем, что в составе смеси флотационного и регенерированного криолита дополнительно подают литийсодержащий компонент в количестве 2,5-5,0 вес.% в пересчете на фтористый литий от общего количества смеси.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве литийсодержащего компонента подают литийсодержащий натриевый криолит и/или литиевый криолит.