Способ получения алюминия

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((1) (я)5 С 25 С 3/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ю 1 О

1О

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21} 4897503/02 (22) 01.10.90 (46) 30.10.92, Бюл. N 40 (71) Институт электрохимии Уральского отделения АН СССР (72) Г.Т.Гусев и Г.Ф.Казанцев (56) Авторское свидетельство СССР

N- 1468972, кл. С 25 С 3/06, 1987. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ (57) 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

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

Известен способ получения алюминия путем электролиза криолитглиноземного расплава, включающий засыпку глинозема (А!20з) 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 уровне4,1-4,3В.

Анодные эффекты считаются вредными и стараются уменьшить их число и продолжительность. Основным недостатком указанного способа является низкий выход по току 82-88 Д, большие физические затраты на удаление угольной пены. 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 B. межполюсном расстоянии 13-18 см и криолитном отношении электролита 2,85-3,00. 1 з,п. ф-лы, 2 ил.

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 гаэ-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 А!20з, собственно электролиза и разрушения криолито-глиноземной корки. С целью повышения t 772219 производительности, сни>кения удельного расхода электроэнергии и уменьшения трудозатрат во время разрушения корки напря>кение на злектролизере увеличивают да значения на 0,15-0,25 В выше, а между операциями разрушения корки уменьшают до значения на О, t5-0,25 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. At.

Недостатком указанного способа является низкий выход по току (меньше 90 4), большие физические затраты труда, незначительная экономил электроэнергии (2-3;ь).

Кроме того не снижается расход анодной масСьг.

Известен способ получения алюминия, в котором используются окислы алюминия переменной валентности, в частности субокись алюминия, Указанная субокись получается в электратермической печи восстаггонлением окиси алюминия углеродом, улавливается и загружается в электролизер, где происходит электролитическое восстановление А!20 да At.

Поскольку электрохимический эквивалент Ai равен 1,05 протин 0,335 для А1, то праизвадительнОсть электрализера при пропускании одной и той же силы така будет в 3 раза выше. Недостатком способа является необходимость строительства дорогой злектротермической печи и сложность оборудования по улавливанию субокиси алюминия, Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения алюминия электролизом криолитглиноземных распланов, отличающийся тем, что с целью повышег-гия выхода по току, снижения расхода электроэнергии за счет сокращения:.эстоты анодных эффектов, через 10-30 мин после загрузки очередной порции глинозема периодически поднимают анод на высоту 0,05-0,2 межполюсного расстояния, выдерживагот анод 5-8 мин в этом положении. после чего опускагат 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.

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

А120з+С вЂ” А1 0+СО, r, 10

20 г

30 :1 1", 40

g5

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

Получаемый по этой реакции субокисел алюминия-Atz0 растворяется в электролите и в дальнейшем происходит его электрохимическое разложение на алюминий и кислоРод

При электролизе Atg0 количество получаемого алюминия будет в 3 раза выше при прохождении одной и той же силы тока через электролизер.

Кроме тога напряжение разложения

А120 в криолите с угольным анодом равно

0,7-0,8 В, что меньше чем у глинозема на

0,8-0,9 В.

Нашими исследованиями установлено, что "àâèñèìîñòü удельной электропроводности or криалитнаго отношения, для расплавов, содержаших смесь с субокисью имеет сложный характер, При криолитном отнаше",èè З,т,е. в природном криолите (NagA1Fc., она значительно t>:tøå удельной электро-г-роводности криолита, как чистого, так и садер>кащего глинозем (2,8-3 Ом см""), а при криолитном отношении 2,7 и 2 5 наоборот, раза в 2-3 ниже соответствующих величин для чистого криолита и криолит-глиноземных расплавов (1,5-1,6 см 1 для к.о,=-2,7 и 5О/ субокиси и 0,7-0,8 Ом .см для к,о. 2,5), При криолитном отношении 2,85 удельная электропроводность равна 2,5 Ом см ", Поэтому необходимо поддерживать криолитное отношение выше 2,85, При электролизере субокиси алгаминия, игги соединения одновалентного алюминия экономия электроэнергии будет за счет 3 факторов: за счет электрохимического коэффициента AlzO, который в 3 раза выше чем у

А1-,,0з; за счет повышенной электропроводности; за счет более низкого напряжения разггожения, В та же время некоторое количество электроэнергии, необходимо затратить на получение А!20 в электролизере за счет вышеуказанной реакции.

Общая зкономия электроэнергии составит 7000 кВт/ч на 1 т алюминия, Для получения А1 0 в электролизере за счет энергии анодного эффекта необходимо произвести следующие технологические операции.

i. Операция подготовки анода и электродита, Один раз в сутки не обрабатывая злектролизеры, т.е. не погружая глинозем в электролит, дождаться анодного эффекта, который должен быть 40 Б, в момент аноднаго эффекта поднять анод на 3-5 см, пробить корку на одной из сторон, погрузить

1772219

5 t0

55 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 мин-происходит обжиг подошвы анода и ее поверхность становится строго горизонтальной, кроме того изменится злектропроводность за счет появления более электропроводных ионов Al, постепенно увеличится межэлектродное расстояние.

lt, Реакция восстановления глинозема углеродом до субокиси происходит в момент анодного эффекта при следующих параметрах. В момент аноднаго эффекта поднять анод на величину, обеспечивающую напряжение 60 В, пробить одну из сторон и загрузить глинозем в 1,5-3 раза больше обычного, при анадном эффекте прогреть ванну 5-6 мин и погасить анодный эффект(с помощью гасил ьного шеста). Установить рабочее напряжение 3,9-4,3 и межзлектрадное расстояние 13-18 см, После гашения аноднага эффектна сделать полную загрузку глинозема на корку электролизера, окучить анод и собрать глинозем с рабочих площадок.

Осушествление реакции

АЬОз+2 С вЂ” 4(20+2 CO идет за счет расходования анода и мелкадисперснага углерода в электролите, т.е, угольной пены, поэтому электролит очищается ат углеродистых частиц, чта значительно повышает aëектропроводность электролита, Таким образом использование анаднаго эффекта для прохождения реакцил «астичного восстановления глинозема до субокиси обеспечлвает увеличение производительности от 1,3 до" 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 злектропроводности) выдержка электролизера на анодном. эффекте приведет к перегреву электролита к выходу на "горячий хад", т.е. к грубейшему нарушению технологии. В свою очередь подготовка анода и электролита, т.е. выравнивание подошвы анода и увеличение электропроводности эа счет очистки электролита от пены без операции восстановления

АЬОз до AI20 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 АЬО требует расхода угольного анода в 3 раза меньше, чем обычно, поэтому общий расход анодной массы значительно снизится, Кроме того резко уменьшаются амортизационные отчисления, расход фторсалей и других материалов, кроме глинозема, Для выдержки электролизера на анодном эффекте 5-6 мин, при напря>кении 60 В, потребует увеличения запаса напряжения на серии, т,е, установки меньшего количества электрализеров, 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, П р и и е р 1. В алундовый тигель диаметрам 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 2,56 см, расстоянием ме>кду ними 20 мм. Измерения электропроводности проводили по схеме моста са

BcTp0eHHblM блоком образцовых сопротивлений 1,0 Ом и при силе тока 0,5 А. Для искл.очения влияния термоЭДС на результаты измерения с помощью перекиочателя изменялось направление тока в сети и повторялось измерение, Среднее арифметическое из результатов 2 или 3 независимых опытов принималось за сопротивление электроллта при заданной температуре и составе расплава. Для чистого крлолита с к.аг3, удельная злектроправадность соста-1 вила 3,0 Ом см

Расчетная относительная ошибка измеNaF рения составляла 3,5;ь. (M.О ц ) равным

А -a

3; 2,5. криолит глиноземнь е расплавы с 5;4 NzOa: криолит с добавкой, смеси субокиси.

Результаты измерений даны на фиг.1.

Зависимость удельной злектропроводности от криолитного отношения для рас1772219 плавов, содержащих смесь с субокисью имеет сложный характер.

При криопитном 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 криопита с отношением

А! Ез

Катодом в ячейке слух<ил графитовый тигель, анодом — графитовый стержень, внутри которого помещалась хромель -алюмепевая термопара в алундовом чехле, Температура в печи поддерживалась

940-1000 С. После наппавления электролита в него опустили 4 г Al 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 и графитовый конусный стакан. Из застывшего электролита извлекли королек алюминия, отмыли от электролита и взвесили. Прибавка веса, за вычетом растворенного алюминия составила 3,4 r, а общий вес 7,2.

Выход по току из-расчета на одновалентный алюминий составил 84 Д, а из расчета на 3-валентный 252 g ипи 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/см, Зависимость выхода по току от плотности тока при электролизе окислов алюминия в пересчете на 3-иапентный алюминий показана на фиг.2. Таким образом наибольший выход по току получен в интервале плотностей тока 0,6-0,9.А/см2, Пример 3. На промышленном электролизере (С-8 Ei им С8БМ) на силу тока 157160 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 3-5 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 s электролите отсутствовала пена, электропроводность электролита повысилась.

После проведения подготовительной работы по выравниванию анода в момент

10 дировали анодный эффект гасипьным шестом. После этого устанавливали межполюсное расстояние 18 см, напряжение 4,3 В и засыпали 600 кг глинозема на обе продольные стороны. Производительность электропизера увеличивалась до 2200 кг/сутки.

l1 р и м е р 5. На промышленном эпектролизере 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 (поддергииапи) анодную рубашку до полного обвалииания корки в электролит, которую растворяли s 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 13 см, напряжение 3,9 В и засыпали 550-600 кг глинозема на обе продольные стороны, Про45

55 очередного анодного эффекта делали паузу в течение одной минуты, затем поднимали (поддергивали) анодную рубашку до полного обваливания корки в электролит, которую

15 растворяли в течение одной-двух минут (приблизительно 600 xr), затем выдерживали на анодном эффекте еще 2-3 мин и ликвидировали анодный эффект гасипьным шестом. После этого устанавливали межпо20 люснае расстояние 13-18 см, т.е, напряжение 3,9-4,3 В и засыпали 500-600 кг гпинозсча на обе продольные стороны.

Производительность эпектропизера увеличилась до 2100-2200 кг!сутки против

25 1170-1200, при обычной технологии, Пример 4. На промышленном злектролизере по примеру 3 после подготовительной работы по выравниванию анода в момент очередного анодного эффекта при

30 напряжении 60 В делали паузу в течение одной минуты, затем поднимали (поддергивали) анодную рубашку до полного обвапивания корки в электролит, которую растворяли в течение одной минуты (при35 бпизитепьно 600 кг), затем выдерживали еще 3 минуты на анодном эффекте и ликии10

1772219 изводительность 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 расплавов, засыпку глинозема на корку электролита, разрушение корки, введение порции глинозема в расплав и периодическое устранение анодных эффектов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности и сокращения расхода

6,0

990 0 0 050 <о5о О О

Температура, С

Фиг.I Зависимость удельной.электроп оводности расплавов криолита различного состава от температуры а - чистыи криолит с к.о. = 3 в - чистый криоллт с к.о. = 2,5

1 криолит + Ь о А1рОЗ 2 коиолит + 10 Ю At 0 (вес); 4 - криолнт С к.o. = 3 + 5 Ж смеси, 5 — риолит с к.о. = 2,7 + 5 7. смси, 6 - к;;i:îëèò с к.о. = 2,5 + 5 Я вЂ” 1

2

3.0 о о

2.0 о

О о, х .0

С= электроэнергии и анодной массы, в течение первых 10-20 анодных эффектов поддерживают напряжение не менее 408, поднимают анод на 3-5 см и осуществляют введение

5 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

10 при напряжении 3,9-4,3 8, межполюсном расстоянии 13-18 см и криелитном отношении электролита 2,85-З,ОО.

2. Способ no n. 1, отличающийся тем, что элактролиз осуществляют с 2-3

15 анодными эффектами в сутки.

1772219

280

"80

-120

Дд, а/см

Фиг.2. Зависимость выхода по току от плотности тока при электролизе окислов алюминия (в пересчете на 3-х валентный алюминий)

l - при электролизе глиноэема; 2 - при электролиэе смеси, содержащей субокись; 3 - по литературным источйики работы

Составитель О. Голыжникова

Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова

Редактор

Заказ 3817 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101