Способ получения алюминия Советский патент 1992 года по МПК C25C3/06 

сл

с

Использование: получение алюминия электролизом криолитглиноземных расплавов. Сущность: получение алюминия проводят путем электролиза криолитглиноземных расплавов. Способ включает засыпку глинозема на корку электролита, разрушение корки, введение порции глинозема в расплав и периодическое устранение анодных эффектов. Цель изобретения - повышение производительности и сокращение расхода электроэнергии и анодной массы. Новым является то, что в течение первых 10-20 анодных эффектов поддерживают напряжение не менее 40 В, поднимают анод на 3-5 см и осуществляют введение глинозема и выдержку в течение 2-5 мин., в следующие анодные эффекты поддерживают напряжение 60 В, вводят три порции глинозема и выдержку осуществляют в течение 5-6 мин. при этом дальнейший электролиз проводят при напряжении 3,9-4,3 В. межполюсном расстоянии 13-18 см и криолитмом отношении электролита 2,85-3,00. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к металлургии цветных металлов в частности получению алюминия электролизом криолитглиноземных расплавов.

Известен способ получения алюминия путем электролиза криолитглиноземного расплава, включающий засыпку глинозема () на корку электролита и подачи глинозема в электролизер путем разрушения криолит-глиноземной корки,удаление угольной пены по мере ее накопления, корректировки состава электролита. При этом способе рабочее напряжение на элеткролизере поддерживается на постоянном уровне4,1-4,3 В. Анодные эффекты считаются вредными и стараются уменьшить их число и продолжительность. Основным недостатком указанного способа является низкий выход по току 82-88%, большие физические затраты на удаление угольной пены.

Из-за неравномерности сгорания подошвы анода на ней могут быть различные выступы, трещины и вогнутые поверхности

С целью выравнивания подошвы анода предложен способ, включающий увеличение межэлектродного расстояния и сжигание неровности на подошве анода, путем увеличения межэлектродного расстояния на высоту неровности, в район которой навстречу подошве анода подают газ-окислитель в импульсном режиме. Газ-окислитель подают с интервалом 1-3 с под давлением 1-2 атм.

Известен способ непрерывного электролитического получения алюминия, включающий изменения рабочего напряжения на электролизере за цикл, состоящий из операций засыпки AfeOa, собственно электролиза и разрушения криолито-глинозем- ной корки, С целью повышения

-ч

XI

ю

ю

ю

производительности, снижения удельного расхода электроэнергии и уменьшения трудозатрат во время разрушения корки напряжение на электролизере увеличивают до значения на 0,15-0,25 В выше, а между операциями разрушения корки уменьшают до значения на 0,15-0,25 В ниже, чем среднее напряжение за цикл.

Способ снижает частоту анодных эффектов в 3-5 раз, удельный расход электроэнергии на 400-600 квт ч/т. А.

Недостатком указанного способа является низкий выход по току (меньше 90%), большие физические затраты труда, незначительная экономия электроэнергии (2-3%). Кроме того не снижается расход анодной массы.

Известен способ получения алюминия, в котором используются окислы алюминия переменной валентности, в частности субокись алюминия. Указанная субокись получается в электротермической печи восстановлением окиси алюминия углеродом, улавливается и загружается в электролизер, где происходит электролитическое восстановление AteO до А.

Поскольку электрохимический эквивалент Ai+ равен 1,05 против 0,335 для , то производительность электролизера при пропускании одной и той же силы токэ будет в 3 раза выше. Недостатком способа является необходимость строительства дорогой электротермической печи и сложность obo- рудованил по улавливанию субокиси алюминия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ полумения алюминия электролизом криолитглиноземных расплавов, отличающийся тем, что г. целью повышения выхода по току, снижения расхода электроэнергии за счет сокращений частоты анодных эффектов, через 10-30 мин после загрузки очередной порции глинозема периодически поднимают анод на высоту 0,05-0,2 межполюсного расстояния, выдерживают анод 5-8 мин в этом положении, после чего опускают в исходное положение, причем продолжительность паузы между подъемами анода составляет 0,15-0,5 периода между обработками электролизера.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение производительности электролизера (в 1,4-2,7 раза), снижение расхода электроэнергии (на 7000 квт/час), уменьшение расхода анодной массы.

Указанная цель достигается за счет использования энергии анодного эффекта для осуществления реакции

А120з+С AI20+CO.

которая может быть осуществлена при температуре не ниже 2500°С.

Получаемый по этой реакции субокисел алюминия-AteO растворяется в электролите

мв дальнейшем происходит его электрохимическое разложение на алюминий и кислород.

При электролизе AlaO количество получаемого алюминия будет в 3 раза выше при

0 прохождении одной и той же силы тока через электролизер.

Кроме того напряжение разложения AteO в криолите с угольным анодом равно 0,7-0,8 В, что меньше чем у глинозема на

5 0,8-0,9 В.

Нашими исследованиями установлено, что зависимость удельной электропроводности от криолитного отношения, для расплавов, содержащих смесь с субокисыо

0 имеет сложный характер, При криолитном отношении З.т.е. в природном криолите (NaaAlFr , она значительно оыше удельной элекгропроподности криолита, как чистого, так и содержащего глинозем (2,8-3 ),

5 а при криолитном отношении 2,7 и 2,5 наоборот, раза в 2-3 ниже соответствующих ве- личин для чистого криолита и криолит-глиноземных расплавов (1,5-1,6 для к.о.2,7 и 5% субокиси и 0,7-0,8

0 для к,о. 2,5).

При криолитном отношении 2,85 удельная электропроводность равна 2,5 Ом -см 1, Поэтому необходимо поддерживать криолитное отношение выше 2,85,

При электролизере субокиси алюминия, или соединения одновалентного алюминия экономия электроэнергии будет за счет 3 факторов: за счет электрохимического коэффициента AlaO, который в 3 раза выше чем у

0 за счет повышенной электропроводности; за счет более низкого напряжения разложения,

В то же время некоторое количество электроэнергии, необходимо затратить на

5 получение AlaO в электролизере за счет вышеуказанной реакции.

Общая экономия электроэнергии составит 7000 кВт/ч на 1 т алюминия.

Для получения AI20 в электролизере за

0 энергии анодного эффекта необходимо произвести следующие технологические операции.

I. Операция подготовки анода и электролита,

5 Один раз в сутки не обрабатывая электролизеры, т.е. не погружая глинозем в электролит, дождаться анодного эффекта, который должен быть 40 0, в момент анодного эффекта поднять анод на 3-5 см, пробить корку на одной из сторон, погрузить

глинозем в электролит, прогреть электролизер в течение 2-2,5 мин и ликвидировать анодный эффект обычными методами. Перечисленную последовательность операций надо производить 10-20 раз постепенно увеличивая длительность анодного эффекта до 4-5 мин. При анодном эффекте напряжением 40 В и длительностью 4-5 минтфоис- ходит обжиг подошвы анода и ее поверхность становится строго горизонтальной, кроме того изменится электропроводность за счет появления более электропроводных ионов Al+, постепенно увеличится межэлектродное расстояние.

I. Реакция восстановления глинозема углеродом до субокиси происходит в момент анодного эффекта при следующих параметрах. В момент анодного эффекта поднять анод на величину, обеспечивающую напряжение 60 В, пробить одну из сторон и загрузить глинозем в 1,5-3 раза больше обычного, при анодном эффекте прогреть ванну 5-6 мин и погасить анодный эффект (с помощью гасильного шеста). Установить рабочее напряжение 3,9-4,3 и межэлектродное расстояние 13-18 см,

После гашения анодного эффекта сделать полную загрузку глинозема на корку электролизера, окучить анод и собрать глинозем с рабочих площадок.

Осуществление реакции

AI203+2C-

AI20+2CO

идет за счет расходования анода и зелко- дисперсного углерода в электролите, т.е. угольной пены, поэтому электролит очищается от углеродистых частиц, что значительно повышает электропроводность электролита.

Таким образом использэвание анодного эффекта для прохождения реакции частичного восстановления глинозема до субокиси обеспечивает увеличение производительности от 1,3 до 3 раза, в зависимости от количества анодных эффектов в сутки, снижается расход электроэнергии и анодной массы, уменьшаются трудозатраты за счет исключения операции снятия угольной пены.

Если не проводить последовательность операций предлагаемых нами, то без подготовки анода и электролита (выравнивание анода, уменьшение количества углерода в электролите, увеличение электропроводности) выдержка электролизера на анодном эффекте приведет к перегреву электролита к выходу на горячий ход, т.е. к грубейшему нарушению технологии. В свою очередь подготовка анода и электролита, т.е. выравнивание подошвы анода и увеличение электропроводности за счет очистки электроли- та от пены без операции восстановления А120з до AteQ за счет анодного эффекта приведет к незначительному увеличению выхода по току как следствие увеличения межполюсного расстояния.

Расчеты показывают, что использование одного анодного эффекта в сутки позволяет увеличить производительность электролизера на 600-700 кг, что увеличивает производительность электролизера в 1,3 раза.

Электролиз AfeQ требует расхода угольного анода в 3 раза меньше, чем обычно, поэтому общий расход анодной массы значительно снизится, Кроме того резко уменьшаются амортизационные отчисления, расход фторсолей и других материалов, кроме глинозема.

Для выдержки электролизера на анодном эффекте 5-6 мин, при напряжении 60 В, потребует увеличения запаса напряжения на серии, т.е. установки меньшего количества электролизеров, на 5-10 единиц в серии. Но оставшиеся электролизеры будут иметь производительность в 1.3-3,0 раза выше чем обычные, поэтому будет общее повышение производительности серии в 1,2-2,5 раза,

Пример1.В алундовый тигель диаметром 50 мм и высотой 80 мм загрузили криолит весом 52,5 г (0,25 моль), расплавили и выдержали при температуре 1035°С в течение 0,5 ч, опустили 2 молибденовых электрода площадью 2V56 см, расстоянием между ними 20 мм. Измерения электропроводности проводили по схеме моста со встроенным блоком образцовых сопротивлений 1,0 Ом и при силе тока 0,5 А. Для

исключения влияния термоЭДС на результаты измерения с помощью переключателя изменялось направление тока в сет и повторялось измерение. Среднее арифметическое из результатов 2 или 3 независимых

опытов принималось за сопротивление электролита при заданной температуре и составе расплава. Для чистого криолита с к.о.3, удельная электропроводность составила 3,6 .

Расчетная относительная ошибка измерения составляла 3,5%, (М.О дпг) равным

3; 2,5.

криолит глиноземные расплавы с 5% А$20з;

криолит с добавкой, смеси субокиси.

Результаты измерений даны на фиг.1.

Зависимость удельной электропроводности от криолитного отношения для .

плавов, содержащих смесь с субокисью имеет сложный характер.

При криолитном отношении 3 она значительно выше удельной электропроводности криолита, как чистого так и содержащего глинозем, равно 5 Ом см при 1030°С, а при криолитном отношении 2,7 и 2,5 наоборот ниже соответствующих величин для обычного электролита.

Наиболее предпочтительным считаем криолитное отношение 2,85-3.

Пример 2. В графитовый тигель установили алундовый цилиндр с внутренним диаметром 43 мм и высотой 100 мм, наплавили 210 г криолита с отношением NaF AlFs

Катодом в ячейке служил графитовый тигель, анодом - графитовый стержень, внутри которого помещалась хромель -алю- мелевая термопара в алундовом чехле. Температура в печи поддерживалась 940-1000°С. После наплавления электролита в него опустили 4 г AI и выдержали 20 мин, затем в электролит загружали смесь, содержащую субокись алюминия и пропускали постоянный ток силой 12 А, в течение 20 мин. Затем содержимое ячейки вылили в графитовый конусный стакан. Из застывшего электролита извлекли королек алюминия, отмыли от электролита и взвесили. Прибавка веса, за вычетом растворенного алюминия составила 3,4 г, а общий вес 7,2.

Выход по току из расчета на одновалентный алюминий составил 84%, а из расчета на 3-валентный 252% или увеличение производительности в 2,5 раза.

В дальнейших опытах сила тока изменялась от 3,5 до 18 А, что соответствовало плотности тока 0,33-1,96 А/см2.

Зависимость выхода по току от плотности тока при электролизе окислов алюминия в пересчете на 3-вэлентный алюминий показана на фиг.2. Таким образом наибольший выход по току получен в интервале плотностей тока 0,6-0,9 А/см2.

П р и м е р 3. На промышленном электролизере (С-8 Б им С8БМ) на силу тока 157- 160 КА не обрабатывали (не взламывали корку электролизера) до возникновения анодного эффекта, который должен быть не менее 40 В, с помощью подъемного механизма поднимали анод на см, пробивали корку на одной из сторон электролизера, погружали ее вместе с глиноземом в электролит, выдерживали электролизер на одном эффекте 40 В в течение 4-5 мин и ликвидировали анодный эффект, например с помощью деревянной рейки. Указанную

последовательность работ выполняли на электролите от 10 до 20 раз в течение 10-30 дней.

За это время подошва анода становилась строго горизонтальной, а в электролите отсутствовала пена, электропроводность электролита повысилась.

После проведения подготовительной

работы по выравниванию анода в момент очередного анодного эффекта делали паузу в течение одной минуты, затем поднимали (поддергивали) анодную рубашку до полного обваливания корки в электролит, которую

растворяли в течение одной-двух минут (приблизительно 600 кг), затем выдерживали на анодном эффекте еще 2-3 мин и ликвидировали анодный эффект гасильным шестом. После этого устанавливали межполю&ноз расстояние 13-18 см, т.е. напряжение 3,9-4,3 В и засыпали 500-600 кг глинозема на обе продольные стороны.

Производительность электролизера увеличилась до 2100-2200 кг/сутки против

1170-1200, при обычной технологии,

П р и м е р 4. На промышленном электролизере по примеру 3 после подготовительной работы по выравниванию анода в момент очередного анодного эффекта при

напряжении 60 В делали паузу в течение одной минуты, затем поднимали (поддергивали) анодную рубашку до полного обваливания корки в электролит, которую растворяли в течение одной минуты (приблизительно 600 кг), затем выдерживали еще 3 минуты на анодном эффекте и ликвидировали анодный эффект гасильным шестом. После этого устанавливали межполюсное расстояние 18 см, напряжение 4,3 В и засыпали 600 кг глинозема на обе продольные стороны. Производительность электролизера увеличивалась до 2200 кг/сутки.

П р и м е р 5. На промышленном электролизере по примеру 3 после проведения подготовительной работы по выравниванию анода в момент очередного анодного эффекта при напряжении 60 В делали паузу в

течение одной минуты, затем поднимали (поддергивали) анодную рубашку до полного обваливания корки в электролит, которую растворяли в течение 2 мин (приблизительно 600 кг), затем выдерживали еще 3 мин на

анодном эффекте и ликвидировали анодный эффект гасильным шестом. После этого устанавливали межполюсное расстояние t3 см, напряжение 3,9 В и засыпали 550-600 кг глинозема на обе продольные стороны. Производительность электролизера увеличивалась до 2100 кг/сутки.

Применение предложенной технологии позволит получить экономический эффект за счет увеличения производительности электролизера снижения расхода углерода и электроэнергии.

Формула изобретения 1. Способ получения алюминия, включающий электролиз криолитглиноземных рас- плавов, засыпку глинозема на корку электролита, разрушение корки, введение порции глинозема в расплав и периодическое устранение анодных эффектов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и сокращения расхода

S.O- 40- 5.02.0Y.O.

li-Д

990 ЮЮ /030 1050 SO70

Температура, °С

Зависимость удельной электропроводности расплавов криолита различного состава от температуры а - чистый криолит с к.о. 3

в - чистый криолит с и.о. 2,5 1 криолит + 5 % AipOg; 2 - криолит + 10 % AlgO (sec); 4 - криолит с к.о. 3 + 5% смеси,

5- криолит с к.о, 2,7 t 5 % смьси,

6- криолит с к.о. 2,5 + 5%

электроэнергии и анодной массы, в течение первых 10-20 анодных эффектов поддерживают напряжение не менее 40 В, поднимают анод на 3-5 см и осуществляют введение

глинозема и выдержку 2-5 мин, в следующие анодные эффекты поддерживают напряжение 60 В, вводят три порции глинозема и выдержку осуществляют в течение 5-6 мин, при этом дальнейший электролиз проводят

при напряжении 3,9-4,3 В, межполюсном расстоянии 13-18 см и криолитном отношении электролита 2,85-3,00.

анодными эффектами в сутки.

280

2W

200

f60

Y20

50

40

0

-40

-Я0

-/20

0,4 0,8 4,2 Да, а/см2

Зависимость выхода по току от плотности тока при электролизе окислов алюминия (в пересчете на 3-х валентный алюминий)

1 - при электролизе глинозема; Ј - при электролизе смеси, содержащей субокись; 3 - по литературным источника работы

& 2,°