СПОСОБ ПИТАНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ФТОРИСТЫМИ СОЛЯМИ Российский патент 2006 года по МПК C25C3/18 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в технологии производства алюминия электролитическим способом из криолит-глиноземного расплава.

Важнейшим фактором, определяющим эффективность технологии электролизного производства алюминия, является поддержание необходимого уровня электролита в ванне и стабильного криолитового отношения (К.О.) электролита.

Для поддержания этих параметров и стабилизации технического режима ведутся либо комплексная загрузка фторсодержащего сырья, либо корректировка состава электролита отдельными компонентами.

Известен электролит для производства алюминия, содержащий фторид натрия, фторид алюминия, фторид магния, фторид кальция и глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:

фторид натрия51,8-53,5фторид алюминия27,2-33,5фторид магния2-10фторид кальция2-10

Электролит имеет криолитовое отношение 3,21-3,8 и суммарное содержание фторидов магния и кальция 10-16% по массе.

К недостаткам известного решения следует отнести прежде всего чрезмерно завышенное К.О. электролита, что снижает выход по току и сокращает срок службы электролизеров. Кроме того, добавка фтористого магния в значительных количествах увеличивает перегрев электролита, снижается его электропроводность и возрастает расход фтористых солей.

Известен способ питания алюминия электролизера фтористыми солями в пусковой период, включающий загрузку в шахту сыпучих материалов (фтористый кальций, окись магния), загрузку твердого оборотного электролита по продольным сторонам, заливку жидкого электролита и последующую подачу свежего криолита и фтористого натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

криолит свежий64-68фтористый кальций2,6-2,8фтористый натрий22-24окись магния4,6-5,5

(Технологическая инструкция по электролитическому производству алюминия в электролизерах с верхним токоподводом Иркутского алюминиевого завода. ТИ 48-0106-19-36-97, 1997 г.).

Недостаток известного решения - значительный расход дорогостоящих свежих фтористых солей.

Известна шихта для питания алюминиевых электролизеров, содержащая криолит, фтористый алюминий, глинозем в следующем соотношении компонентов, вес.%:

криолит0,3-0,9фтористый алюминий1,0-1,5глиноземостальное

В известной шихте фторсодержащие компоненты составляют, вес.%:

криолит23-37,5фтористый алюминий62,5-77

(А.с. СССР №712462, С 25 С 3/06, 1980 г.).

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

Недостатки известного решения - значительный расход свежих фтористых солей, невозможность оперативной и плавной корректировки криолитового отношения электролита в пусковой, послепусковой периоды и в случаях возникновения технологических нарушений режима работы электролизера.

Задачей предлагаемого решения является повышение технико-экономических показателей процесса электролитического производства алюминия.

Техническим результатом является снижение расхода свежих фтористых солей, стабилизация и поддержание необходимого уровня электролита в ванне и требуемого криолитового отношения.

Технический результат достигается тем, что в способе питания алюминиевого электролизера фтористыми солями, включающем подачу их в электролизер в виде смеси криолита и фтористого алюминия, в электролизер подают смесь фтористого алюминия и криолита, вводимого в виде вторичного смешанного криолита, представляющего собой смесь флотационного и регенерационного криолита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

флотационный криолит 15-83регенерационный криолит5-62фтористый алюминийостальное

причем фтористые соли подают в электролизер в виде предварительно приготовленного жидкого расплава.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Питание алюминиевого электролизера фтористыми солями необходимо для поддержания требуемого технологического уровня электролита в ванне и его криолитового отношения.

Как правило, питание электролизера и корректировка состава электролита осуществляются подачей свежих фтористых солей: фториды натрия, алюминия, свежий криолит или с подачей части фторсодержащего сырья в виде смешанного и/или оборотного электролита.

В предлагаемом решении взамен свежих (дорогостоящих) фторсодержащих солей (свежего криолита) на пуске и в технологическом режиме в электролизер подают смесь фторсодержащих компонентов либо их расплав, предварительно подготовленный в ваннах-матках. Основой подаваемых в электролизер фтористых солей и в том, и другом случае является вторичный смешанный криолит (смесь флотационного и регенерационного криолитов) - продукт переработки отходов электролитического производства алюминия.

За счет этого снижается расход свежих фтористых солей (свежий криолит, фтористый натрий), уменьшаются их потери при использовании за счет одновременной комплексной загрузки.

Смешанный криолит представляет собой смесь продуктов переработки отходов электролитического производства алюминия: угольной пены и растворов газоочистки.

В зависимости от принятого на алюминиевом заводе криолитового отношения электролита, технологии проведения процесса электролиза криолитовое отношение получаемого в процессе переработки отходов производства смешанного вторичного криолита составляет 3,1-3,6, т.е. прямое его использование в процессе нецелесообразно ни с технологической, ни с экономической точек зрения, т.к. высока температура его плавления, велика вязкость, для поддержания необходимых теплофизических параметров электролита потребуются дополнительные затраты электроэнергии и возможны технологические нарушения, а также снижение срока службы электролизеров. Избыток натрия в смешанном криолите может привести к разрушению углеродистых блоков.

Вместе с тем известна практика использования смешанного криолита как самого дешевого алюминий- натрийфторсодержащего сырья в составе пусковой шихты для наплавления уровня электролита в пусковой и послепусковой периоды.

В предлагаемом решении с целью расширения технологических возможностей использования смешанного криолита в электролитическом производстве алюминия производят загрузку его в электролизер в составе смеси, содержащей флотационный криолит, регенерационный криолит и фтористый алюминий.

Изменение криолитового отношения смешанного криолита варьированием массовых соотношений флотационного и регенерационного криолитов для отдельного алюминиевого завода затруднительно в силу технологических особенностей процесса переработки и получения этих криолитов и возможно в очень незначительных пределах.

Но введение в состав смеси фтористого алюминия резко расширяет технологические возможности: возникает возможность изменения криолитового отношения смешанного криолита в достаточно широком диапазоне, в зависимости от технологических потребностей и на всех стадиях процесса электролитического производства алюминия.

В период пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта необходимо учесть потери натрийсодержащего компонента за счет пропитки углеродистых блоков. Для компенсации этих потерь загружают предлагаемую смесь с общим криолитовым модулем ˜ 3,0 (рабочее К.O.=2,7-2,8).

Расход фтористого алюминия при этом незначителен, но в то же время предотвращается резкое повышение К.О. при загрузке смешанного криолита, отрицательно сказывающееся на технологических показателях электролизера, устраняется операция корректировки состава электролита, снижается расход фтористых солей.

Наплавление уровня электролита на пусковом электролизере одним вторичным смешанным криолитом нецелесообразно: возможно разрушение углеродистых блоков из-за избытка натрия в этом сырье. При наплавлении вторичного криолита для получения жидкого электролита для заливки в пусковой электролизер на ваннах-матках необходимо поддерживать повышенную температуру, т.к. температура плавления расплава возрастает (высокое К.О. сырья). Это приводит к расстройству технологического режима ванн и повышению К.О. электролита. Для предотвращения этих отрицательных последствий в состав наплавляемой смеси вводят фтористый алюминий, который снижает общее К.О. смеси и делает ее более легкоплавкой, что позволяет наплавлять электролит при более низком напряжении на ваннах-матках, чем при использовании одного вторичного смешанного криолита. Одновременная подача в составе смеси смешанного вторичного криолита и фтористого алюминия способствует сокращению расхода фтористых солей.

Питание электролизеров в нормальном технологическом режиме подачей предлагаемой смеси флотационного, регенерационного криолита и фторида алюминия также возможно и целесообразно. При этом К.О. смеси, подаваемой в электролизер, поддерживают близким к требуемому технологическому К.О. электролита в электролизере, регулирование К.О. смеси осуществляется добавлением необходимого (расчетного количества) фтористого алюминия.

После введения такой смеси в электролит и ее проплавления К.О. его значительно изменяться не будет, что приводит к стабилизации процесса электролиза, к повышению выхода по току.

По предлагаемой технологии возможна и оперативная плавная корректировка состава электролита по К.О. при технологических сбоях и изменениях технологических параметров. При этом в нужное время в необходимых количествах в электролизер подается смесь требуемого состава, что и обеспечивает точную, оперативную и плавную (без значительных изменений физико-химических свойств электролита) корректировку, что также способствует стабилизации процесса электролиза, повышению выхода по току, ведет к снижению расхода свежих фтористых солей и дает возможность частично или полностью заменить свежий криолит в технологии.

Предлагаемое решение может быть использовано в технологическом процессе электролиза как совместно с другими известными решениями, так и взамен известных технологий пуска, питания электролизера и корректировки К.О. электролита.

Заявляемые пределы компонентов смеси, подаваемой в электролизер, мас.%:

флотационный криолит15-83регенерационный криолит5-62фтористый алюминийостальное

обусловлены следующим.

Соотношение флотационного и регенерационного криолитов в составе смешанного криолита зависит от объемов переработки исходного сырья для получения каждого вида продукта, его химического состава, от технологии ведения процесса электролиза и технологии получения вторичного криолита и, как правило, являются устоявшимися для каждого алюминиевого завода. Эти соотношения с учетом их изменений представлены в формуле.

Поскольку К.О. смешанного криолита всегда выше требуемого технологического, то использование его в технологическом процессе целесообразно только при снижении его К.О. В предлагаемом решении это достигается использованием вторичного смешанного криолита в составе смеси со фтористым алюминием. В зависимости от исходного К.О. (результаты анализа смешанного криолита), требуемого количества и состава фторсодержащего сырья в процессе электролитического производства алюминия (замеры уровня электролита в ванне, результаты анализа электролита) в любой промежуток времени производятся подготовка (смешение) и подача в электролизер (заливка) смеси требуемого состава и в необходимом количестве в зависимости от технологических потребностей. Варьированием количества фтористого алюминия в смеси обеспечиваются практически все текущие технологические потребности электролизера во фтористых солях.

Предлагаемое решение характеризуется признаками, сходными с признаками ближайшего аналога:

- шихта для питания алюминиевых электролизеров;

- подача в электролизер фтористых солей в виде смеси криолита и фтористого алюминия.

От ближайшего аналога предлагаемое решение отличается тем, что:

- используют смесь криолита в виде вторичного смешанного криолита и фтористого алюминия;

- смесь подают в электролизер при следующем соотношении компонентов, мас.%:

флотационный криолит15-83регенерационный криолит5-62фтористый алюминийостальное

- смесь фтористых солей вышеуказанного состава может быть подана в электролизер в виде предварительно приготовленного жидкого расплава.

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

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

- известен способ питания алюминиевого электролизера фтористыми солями в пусковой период, включающий подачу в жидкий электролит свежего криолита и фтористого натрия (Технологическая инструкция по электролитическому производству алюминия в электролизерах с верхним токоподводом Иркутского алюминиевого завода. ТИ 48-0106-19-36-97, 1997 г. с.46);

- известна подача в электролизер фтористых солей в виде смеси криолита и фтористого алюминия (А.с. СССР №712462, С 25 С 3/06, 1980 г.);

- известно использование в качестве натрий- алюминиевых фторидов смешанного криолита и/или оборотного электролита в количестве не более 50 мас.% от массы свежего криолита (патент РФ №2128732, С 25 С 3/06, 1999 г.).

В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся совокупностью сходных идентичных или эквивалентных существенных признаков, аналогичных с признаками предлагаемого технического решения:

- в качестве фтористых солей используют смесь вторичного смешанного криолита с фтористым алюминием;

- смесь подают в электролизер при следующем соотношении компонентов, мас.%:

флотационный криолит15-83регенерационный криолит5-62фтористый алюминийостальное

- фтористые соли могут быть поданы в электролизер в виде предварительно приготовленного жидкого расплава.

Наличие в предлагаемом решении существенных отличительных признаков, использование совокупности известных и отличительных признаков, дающее более высокий технико-экономический результат: расширение технологических возможностей применения вторичного криолита, экономия свежих фтористых солей, стабилизация технологических параметров и режима электролиза, позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предлагаемая технология реализуется следующим образом.

Предусматриваются два основных варианта питания электролизера: питание в пусковой период - для наплавления уровня электролита и достижения необходимого криолитового отношения и текущее питание - для поддержания необходимого технологического уровня электролита и требуемого криолитового отношения.

В пусковой период в качестве фторсодержащего сырья в электролизер подают смесь вторичного криолита (смесь флотационного и регенерационного криолитов), имеющего криолитовое отношение более К.О. электролита, и фтористого алюминия - для достижения необходимого К.О. (2,7-2,8).

Пример 1. В качестве пусковой шихты применяли смесь следующего состава, мас.%:

флотационный криолит65,2регенерационный криолит18,1фтористый алюминий16,7

Расчетное криолитовое отношение смеси 2,3 (здесь и далее криолитовое отношение порошкообразного материала рассчитывали на основании химического анализа сырья с учетом всех возможных взаимодействий фтористых солей с электролитом).

Пусковую шихту переплавляли на пусковом электролизере после заливки жидкого электролита. Свежий криолит в пусковой шихте не использовался.

Наплавления уровня электролита происходило без осложнений и более эффективно, чем при использовании свежего криолита.

Криолитовое отношение электролита после проплавления пусковой шихты составило 2,7.

Экономический эффект около 75 тыс. руб. на один пусковой электролизер получен за счет замены свежего криолита более дешевой смесью.

Пример 2. В качестве технологической шихты для питания электролизеров использовали следующую смесь фтористых солей, мас.%:

флотационный криолит69,6регенерационный криолит19,3фтористый алюминий11,1

Расчетное криолитовое отношение шихты 2,43. Испытание проводили на группе электролизеров. При этом криолитовое отношение электролита на электролизере стабильно удерживалось на уровне 2,7. Ванны работали с большим выходом по току. Расход фтористого алюминия уменьшился примерно на 5 кг/т Al. Свежий криолит не использовался.

Предлагаемая технология питания алюминиевого электролизера фтористыми солями проходит опытно-промышленные испытания, подтверждающие эффективность ее использования.

Изобретение может быть использовано в технологии производства алюминия электролитическим способом из криолит-глиноземного расплава. В способе питания алюминиевого электролизера фтористыми солями, включающем подачу в электролизер фтористых солей в виде смеси криолита и фтористого алюминия, в электролизер подают смесь криолита в виде вторичного смешанного криолита, представляющего собой флотационный криолит и регенерационный криолит, и фтористого алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: флотационный криолит 15-83, регенерационный криолит 5-62, фтористый алюминий - остальное, причем фтористые соли могут быть поданы в виде предварительно приготовленного жидкого расплава. Техническим результатом является снижение расхода свежих фтористых солей, расширение технологических возможностей. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ питания алюминиевого электролизера фтористыми солями, включающий подачу их в электролизер в виде смеси криолита и фтористого алюминия, отличающийся тем, что в электролизер подают смесь фтористого алюминия и криолита, вводимого в виде вторичного смешанного криолита, представляющего собой смесь флотационного криолита и регенерационного криолита, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Флотационный криолит15-83Регенерационный криолит5-62Фтористый алюминийОстальное