Способ переработки кремнефторида натрия Советский патент 1992 года по МПК C01F7/00 C01B33/00 

Изобретение относится к переработке кремнефтористого натрия, а также к электрометаллургии алюминия и производству его сплавов с кремнием. Создание изобретения связано с актуальной проблемой развития безотходной технологии фторсодержащих продуктов. В настоящее время подобные продукты в большом количестве скапливаются в отвалах, т.к. способы переработки их сложны и экологически не безвредны.

В настоящее время криолит получают по методу, основанному на взаимодействии растворов фтористого алюминия и фтористого натрия, которые получают из кремнефтористоводородной кислоты путем обработки ее гидроокисью алюминия и содой. При этом качество криолита уступает лучшим зарубежным образцам.

Наиболее близким по технической сущности является способ, в котором с целью

ъ/

более полного извлечения фтора за счет двукратного связывания его в виде фторидов металлов кремнефтористый натрий подвергают переработке в несколько стадий:

стадия нагрева кремнефтористого натрия с получением фторида натрия и тетрафторсилана по реакции:

Na2 SiF6 2NaF+SIF4(1)

и улавливание последнего:

пропускание тетрафторсилана через оксид алюминия, получение фторида металла

SiF/i+At203 AIF3+SI02(2)

разделение продуктов по реакции (2) за счет возгонки с последующей конденсацией фтористого алюминия

А1F3 ТВ возгонка.А1 Far конденсация. Рз то

(3)

Продукты переработки NaF и А1Рз предложено использовать в качестве более дешевых компонентов шихты для электролититческого производства алюмииия. Авторы предлагают реакцию (1) проводить при температуре не ниже 500°С.

Д/1Й проведения процессов по рассмотреи1- ным стадиям, очевидно, потребуется сложное технологическое оборудование.

Цель изобретения заключается в снижеиии энергетических затрат, упрощении процесса и обеспечении экологической чистоты процесса за счет возможности переработки -кремнефтористого натрия в уже имеющемся и работающем устройстве (алюминиевом электролизере) с использованием , не предназначенного для достижения цели, а выделяющегося в электролизере частично на потери в окружающую среду. Обеспечение экологической чистоты достигаепся за счет возможности двойного связывания, фторсодержащих продуктов (химическое взаимодействие в слое смеси и адсорбционное -,в защитном слое),

Стехиометрическую смесь кремнефтористого натрия и оксида алюминия засыпают на корку электролита алюминиевого электролизера слоем толщиной 50-100 мм, поверх засыпают слой из оксида алюминия толщиной 70-150 мм, выдерживают их несколько часов, после чего, разрушая корпус, погружают продукты взаимодействия в электролит,

В основе предлагаемого способа лежит реакция

. 3Na2SiF6+2Al203 6NaF+4A F3+3Si02 (4) Указанная реакция происходит в слое смеси исходных компонентов при температурах порядка 500°С. При этом с оксидом алюминия взаимодействует не продукт термического разложения кремнефтористого натрия, как в прототипе, а сам кремнефторид натрия, Продукты этого взаимодействия погружают в расплав электролита, причем фтористые соли алюминия и натрия являются обычными составляющими криолито-глиноземиого расплава, кремний переходит в катодный металл. При таком способе переработки исключаются стадии разделения кремнезема и фтористого алюминия путем трудоемких операций возгонки и конденсации последнего. Продуктом переработки являются алюминиёво-кремниевые сплавы, широко используемые в промышленности. При проведении патентного поиска не выявлено решений, обла,даюидих той же совокупностью признаков, которая отличает предлагаемое нами решений. Все признаки, присущие решению, органично рйботакя на достижение цели изобретения: для переработки кремнефторида натрия используется отлаженный механизм электролиза алюминия, тем более.

что некоторые сибирские алюминиевые заводы испытывают сейчас трудности с сырьем.

Внедрение решения не повлечет за собой необходимость разработки и создания аппаратов для описанных стадий (реакции 1-3), поддержания в них определенных технологических режимов (температура, давление), что неизбежно

0 связано с энергозатратами, обеспечение герметичности аппаратов и коммуникаций, Использование работаюа их аппаратов (электролизеров) и утилизация их тепла позволяют говорить о снижении материальных и энергозатрат. Продукты реакции (4) являются твердофазными, загрязнение ими атмосферы цеха, воздуха вблизи завода исключено. Наличие защитного слоя из оксида алюминия надежно герметизирует реакционную зону так, что даже в случае разложения кремнефторида натрия образуется газообразный тетрафторсилан по реакции (1), то он будет связан в защитном слое с оксидом (реакция (2). Обеспечение экологической чистоты обусловлено самим способом реализации процесса.

Для реализации способа предлагаем использовать типовой электролизер для получения алюминия. На корку электролита,

0 имеющуюся у нормально работающего

электролизера, засыпают слой стехио.мет. рической смеси кремнефтористого натрия и

оксида алюминия. Защитный слой оксида

алюминия поверх реакционного слоя необходим для герметизации и утепления реакционного слоя. Насыпной слой оксида ал(оминия активно адсорбирует возможные газообразные продукты, поэтому необходимо иметь его толщину около 10 см. При обрушении корки газообразные продукты будут собираться и в систему газосбора.

Засыпку слоя реакционной смеси можно организовать по продольным сторонам электролизера, где периодически производится технологическая операция пробивки корки, а также по поперечным сторонам электролизера. В последнем случае технологически необходимую операцию пробивки корки и предлагаемую операцию

0 подшихтовки электролита продуктами реакции (4) можно разделить. В результате появится возможность точнее регулировать состав алюминиево-кремниевого сплава по содержанию кремния и получать сплавы в

5 широком диапазоне содержаний его (от низко - до высококремнистых).

Процесс переработки кремнефтористого натрия может быть иепрерысным, на одной ванне, на нескольких ваннах или же периодическим. При реализации способа возникает необходимость подготовки стехиометрической смеси кремнефторида натрия и оксида алюминия. Ее можно изготовить с помощью уже известных способов смешения nopouiкообразных материалов. Смесь может быть использована при внедрении на заводах систем автоматического питания электролизеров глиноземом (АПГ). На чертеже изображен схематичный разрез алюминиевого электролизера. Электролизер состоит из анода 1. погруженного в расплавленный электролит 5, и катодного кожуха, футерованного подовыми 3 и боковыми 4 углеграфитовыми блоками. Катодный продукт - сплав алюминия и кремния - расположен на подине 2 под слоем электролита. Гарниссаж 6, дополнительно изолирующий боковую футеровку, и корочка застывшего электролита 7 над рабочим пространством технологически необходимы. Дополнительный слой смеси кремнефторида натрия с оксидом алюминия 8 предложено размещать на сформировавшейся застывшей корочке, насыпая поверх слой оксида алюминия 9 для герметизации и утепления. П р и м е р. В электролизере С 8-БМ с шириной анода 2800 мм и верхним токоподводом при очередной засыпке глинозема на корку электролита вместо глинозема засыпают стехиометрическую смесь кремнефтористого натрия с глиноземом в количестве 10 кг слоем толщиной 50 мм по продольным сторонам ванны. Массовое соотношение компонентов в смеси, кг Na2SiF6 7,3; А120з 2,7. Поверх реакционного засыпается защитный слой глинозема толщиной 100 мм, после чего эта ванна продолжает работать в обычном технологическом режиме при 950-960°С и при очередной пробивке корки через б ч в расплав погружается 3.3 KrNaF,4,4 кгА1Рзи2,3 кг Si02 и продуктом электролиза является низкокремнистый сплав алюминия. Примеры при других величинах толщины слоя реакционной смеси (hi) при той же толщине защитного слоя (h2), равной 0,1 м, и времени, равном 3 ч, представлены в табл.1. В табл. 2 показано количество реакционной смеси (mi), обеспечивающее на площади 2,5 м необходимую толщину слоя. Площадь 2,5 м взята из соображений, что смесь будет засыпаться на корку электролита между анодом и боковой стенкой (это расстояние около 0,5 м) на протяжении 5 м с одной стороны обычного электролизера с верхним ТОКОПОД8ОДОМ типа С8-БМ. Целесообразный диапазон толщины слоя реакционной смеси находится в пределах 0,05-0,1 м. Нижний предел определяется тем, что надо использовать нерационально малые количества реакционной смеси, а верхний - тем, что ванна будет пересыщена кремнием (). Т.к. в формуле изобретения предполагается изменение толщины защитного слоя (h2) глинозема от 0,07 м до 0,15 м, покажем целесообразность выбора этого диапазона для времени 3 ч на той же площади 2,5 м чарез расчет количества оксида алюминия в защитном слое (т 2), обеспечивающего засыпку слоя необходимой толщины (табл.2). Для того, чтобы связать весь фтор, внесенный в слой реакционной смеси толудиной 0,07 м. необходимо 424 кг А120з. а минимальная толщина реакционного сгоя 0,05 м требует засыпки на рассматриваемую площадь 320 кг AI203. Это свидетельствует о целесообразном диапазоне, составляющем 350-750 кг А120з, по толщине слоя соответственно 0,07-0,15 м. Максимальная величина защитного слоя 0,15 м при средней величине реакционного слоя 0,07 м обеспечивает избыток АЬОз и является свидетельством возможности полного связывания фтора, что гарантирует экологическую чистоту процесса, указанную в цели изобретения. Достижение цели изобретения по снижению материальных затрат показываеттякой небольшой расчет. Для получения 1 т алюминия требуется около 72 кг криолита и фторсолей. Использование кремнефторида натрия, дающего эти компоненты электролита, позволит дополнительно получить некоторое количество алюминия (табл.3). Возможность получения дополнительного металла за счет использования кремнефторида натрия при различной тйлщине слоя реакционной смеси показана в табл.5, Достижение цели изобретения по снижению энергетических затрат поясняет пример. Для производства 1 т силумина расходуется около 140 кВт ч силовой электроэнергии, а 1 т алюминия - более 110 кВт ч, т.е. получение 1 т силумина, и алюминиевом электролизере позволит сэкономить 140 кВт ч электроэнергии. Таким образом, способ позволяет на имеющемся технологическом оборудовании переработать продукт (кремнефторитый натрий), который в настоящее время аще идет в отвалы, получать нужные в наодном хозяйстве сплавы. Процесс перерах тки отличается экологической чистотой, вляется энерго- и ресурсосберегающим.

Формула изобретения

Способ переработки кремнефторида натрия, включающий взаимодействие кремнефторс о держащего вещества с оксидом алюмини). при нагревании, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, упрощения процесса и улучшения его экологичности. на взаимодействие подают смесь стехиометрических количеств кремнефторида натрия и оксида алюминия, взаимодействие осуществляют в течение не менее трех часов в слое реагентов толщиной 50-100 мм, имеющем покрытие из слоя оксида алюминия толщиной 70-150 мм, причем процесс ведут на корке электролита работающего алюминиевого электролизера и продукты взаимодействия погружают в электролит при продолжении электролиза.

Использование: переработка отходов с получением кремнеалюминиевых сплавов. Сущность изобретения: смешивают стехио- метрические количества кремнефторида натрия и оксида алюминия, помещают слой реагентов толщиной 50-100 мм на корку работающего алюминиевого электролизера, сверху насыпают слой оксида алюминия толщиной 70-150 мм, взаимодействия осуществляют не менее 3ч и продукты взаимодействия погружают в электролит при продолжении электролиза. 1 ил., 3 табл.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3,