Способ подачи порошкообразного исходного материала в электролизер при производстве алюминия электролизом

 

Сущность изобретения заключается в том, что способ подачи исходного материала, например окиси алюминия, в процессе электролиза алюминия предусматривает использование вибрационного воздействия на питающие средства. Исходный материал поступает в регулирующий короб, расположенный в непосредственной близости от поверхности расплавленного электролита. К питающим средствам, расположенным в коробе, прикладывают механическую вибрацию в верктиальном направлении с амплитудой 0,5 - 1,5 см и частотой колебаний 11 - 40 Гц. Исходный материал подают непрерывно через отверстие в корке электролита, вокруг регулирующего короба. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение касается способа подачи порошкообразного исходного материала, например окиси алюминия, в электролиз алюминия, в котором используются вибрирующие возвратно-поступательно питающие средства.

Изобретение относится к области электролитического получения алюминия, и оно может использоваться для подачи окиси алюминия и других эквивалентных материалов в электролизы любого типа.

Как известно в данной области, процесс электролиза алюминия осуществляется как непрерывный процесс, а питание электролизеров исходным материалом обычно производится периодически с заданными интервалами времени. Питание производится в главном месте за счет проникновения сквозь корку электролита и доставки в расплавленный электролит неконтролируемой порции окиси алюминия, которая перед проникновением была распределена по корке.

Связанные с вышеуказанным известным способом основные недостатки относятся к процессу электролиза, обусловливая нестабильность процесса. Это главным образом обусловлено тем, что концентрация окиси алюминия в электролите изменяется от максимальной величины в момент загрузки до минимальной величины в стартовой фазе анодного эффекта. В результате этого расход электроэнергии увеличивается, эффективность процесса снижается, вследствие чего на дне электролиза появляется осадок, который в свою очередь влечет к нарушению активности электролиза.

Главная проблема, связанная с электролитическим получением алюминия, в настоящее время состоит в том, как гарантировать надежное и простое питание исходным материалом электролиза без какого-либо существенного разрушения корки электролита с тем, чтобы обеспечить поддержание в электролите по существу равномерной концентрации окиси алюминия.

Известен способ, описанный в патенте США N 2713024, касающийся того, как обеспечить непрерывное питание процесса электролита, по которому с помощью питающих средств в трубе, расположенной на поверхности расплавленного электролита, окись алюминия непрерывно подается под поверхностью расплавленного электролита, при этом окись алюминия подается в виде столбца окиси алюминия, сформированного во впускной точке в расплавленный электролит с помощью давления, создаваемого питающими средствами. Конкретной особенностью способа по патенту США является то, что питающие средства, создающие давление подачи столбца окиси алюминия, не контактируют с расплавленным электролитом. Способ подачи по патенту США может использоваться независимо от плавления анода в электролизах любой мощности. В соответствии с указанным патентом способ может осуществляться с помощью питающих средств винтового, поршневого или аналогичного типа.

Несмотря на определенные преимущества вышеупомянутого способа, он не нашел широкого использования потому, что в том месте, где исходный материал подается через корку электролита в расплавленный электролит, возникают большие силы из-за быстрого роста входного места или отверстия.

Способ подачи окиси алюминия в процесс электролиза алюминия известен из авторского свидетельства СССР N 126271, по которому предлагается, чтобы окись алюминия подавалась в электролит, используя вибрацию, цель которой состоит в ускорении растворения окиси алюминия в электролите и предотвращении оседания на дно электролита. Способ, описанный в авторском свидетельстве СССР, осуществляется с использованием сферического резервуара, снабженного отверстиями, погруженного в электролит и горизонтально вибрирующий. Окись алюминия в сферическом резервуаре, находясь под действием вибрации, растворяется в электролите. В соответствии с другой альтернативой способ осуществляется с помощью горизонтальной вибрирующей плиты, амплитуда вибрации которой была направлена горизонтально.

Указанный способ не применялся на практике из-за того, что поддержание поверхности расплавленного электролита открытой трудно осуществимо в точке подачи окиси алюминия вследствие быстрого роста корки на поверхности электролита, когда холодная окись алюминия входит в контакт с электролитом.

Кроме того, что касается уровня развития техники, то необходимо сослаться на следующие патенты: авторское свидетельство СССР N 1191491, патент США N 5045168 и патент Великобритании N 2058137.

Задачей изобретения является дальнейшее развитие вышеупомянутых известных способов с тем, чтобы устранить указанные недостатки.

Для достижения вышеуказанных целей, а также тех, что будут описаны ниже, изобретение главным образом отличается тем, что исходный материал или сырье поступает в регулирующую коробку, размещенную в непосредственной близости от поверхности расплава электролита, что механическая вибрация сообщается питающим средством, размещенным в регулирующей коробке, вертикальная амплитуда которых выбирается в диапазоне 0,5-1,5 см, частота вибрации - в диапазоне 11-40 Гц, и тем, что сырье непрерывно подается через отверстие в корке электролита, выполненного вокруг регулирующей коробки с питающими средствами.

В отверстии и вокруг него корка электролита постоянно формируется, при этом ее толщина является ощутимой, в частности в непосредственной близости от входной зоны. Это объясняется тем, что в первоначальный момент подачи окиси алюминия в электролит на последнем образуется корка, толщина которой увеличивается во время непрерывной подачи холодной окиси алюминия до определенной степени, после чего окись алюминия начинает накапливаться на коробке и образует на ней слой. Когда столбец окиси алюминия коснется питающих средств, последние начинают активное воздействие на столбец, передавая проникающее усилие на корку электролита. Под действием этого усилия корка опускается вниз в рабочую зону питающих средств и образует своего рода отверстие, через которое позже будет подана окись алюминия. Прочность и толщина корки вокруг отверстия являются, как отмечалось выше, значительными, а поэтому, когда столбец окиси алюминия опускается через отверстие, возникают большие силы трения, которые необходимо преодолеть с помощью питающих средств. Использование вибрации вертикального вибратора снижает силы трения при подаче окиси алюминия.

С целью более надежной доставки сырья в электролит и удаления анодных газов из под корки рекомендуется вводить время от времени питающие средства в расплавленный электролит. Такая мера очищает отверстие в корке электролита и предотвращает его закупоривание.

Благодаря способу изобретения по сравнению с другими способами питания электролиза, известных в данной области, достигаются следующие преимущества: при подаче окиси алюминия в электролите снижается стоимость энергии за счет уменьшения сил трения на входе, увеличивается рабочая надежность приводных средств, продлевается срок службы приводных средств, упрощается осуществление устройства, снижается расход электроэнергии в электролизном процессе, увеличивается эффективность тока на 1-3%, увеличивается электролитический тепловой баланс, так как сырье подается в расплав без разрушения корки электролита, улучшается качество металла, так как предотвращается попадание загрязнений в электролиз, существенно снижается стоимость рабочей силы,
уменьшаются потери сырья.

На чертеже схематично показан в вертикальном сечении электролизер, предназначенный для получения алюминия, в котором использован способ изобретения.

Электролизер для получения окиси алюминия содержит анодное 1 и катодное 2 устройства и устройство, с помощью которого исходный материал или сырье подается через питающую трубу 3 в электролиз. Подающее устройство содержит вибратор 4 и питающие средства 5, установленные в регулирующей коробке 7, расположенные над поверхностью расплавленного электролита 6. В твердой корке 8 электролита в месте подачи сырья выполнено отверстие 9.

Подача сырья для электролиза осуществляется следующим образом. Сырье поступает в регулирующую коробку 7 ниже питающих средств 5. Когда последние вибрируют, то сырье медленно движется вниз, при этом нагреваясь. При движении вниз сырье поступает ниже питающих средств 5 и накапливается там. Когда столбец окиси алюминия касается питающих средств 5, они начинают активное воздействие на столбец, передавая проникающее усилие на корку 8 электролита. Другими словами, окись алюминия действует как проникающий инструмент для непрерывно образующейся корки электролита в месте входа сырья. Благодаря этому усилию корка 8 в рабочем диапазоне питающих средств 5 становится проходимой, а отверстие 9, через которое окись алюминия непрерывно подается, остается открытым. Для того чтобы сделать подачу сырья в электролит как можно более надежной, питающие средства 5 погружаются время от времени в расплавленный электролит, в результате чего отверстие 9 будет поддерживаться в рабочем состоянии.

Вышеописанный способ был испытан в промышленных условиях. При возвратно-поступательной вибрации у питающих средств 5 значительно уменьшались силы трения столбца окиси алюминия относительно стенок отверстия 9 электролита и одновременно с этим уменьшался расход энергии на транспортировку сырья в расплав. Кроме того, увеличивалась надежность подачи и эффективность подачи сырья в электролиз.

Амплитуды и частоты вибрации V питающих средств 5 определялись на основании испытаний, проведенных в промышленных условиях. Амплитуды колебаний выбирались с целью обеспечения надежного перемещения окиси алюминия под действием питающих средств 5. Когда амплитуда вибраций V была ниже 0,5 см, было установлено, что окись алюминия блокирует регулирующую коробку 7, приводя к значительным нагрузкам в вибрационных приводных средствах 4, в результате чего окись алюминия не поступает в расплав 6. При амплитуде свыше 1,5 см конструкция вибрационных приводных средств 4 становится более сложной. При амплитуде 0,5-1,5 обеспечивается непрерывная подача. При частоте 11-40 Гц питающих средств 5 силы трения, возникающие при прохождении окиси алюминия сквозь корку 8 электролита в отверстие 9, были минимальными. При частотах свыше 40 Гц наблюдался повышенный расход энергопередающего агента, например сжатого воздуха, хотя никакого значительного уменьшения сил трения не могло наблюдаться. Когда частота ниже 11 Гц, частота вибраций питающих средств 5 достигает особых колебаний организма человека, которые в свою очередь могут привести к тяжелым последствиям для здоровья человека, и люди, работающие вблизи этих средств, быстро утомляются. Частота особых колебаний у человека составляет 7-10 Гц.

Вибрация питающих средств 5 является настолько асимметричной, что перемещение питающих средств 5 вниз происходит значительно быстрее, чем вверх. При таком способе работы конденсированные микрочастицы сырья непрерывно подаются в расплав 6 без какого-либо образования корки в месте подачи сырья.

Использование питающих средств 5 с параметрами негармоничной амплитудной частоты было выбрано потому, что возникновение такого резонансного явления может быть предотвращено, что будет иметь отрицательное влияние на работу электролиза. Это может случиться тогда, когда частоты распределяющих усилий питающих средств 5 и электролиза являются гармоничными.

Пример воплощения способа в промышленном электролизе при токе в 175 Ка. Питающие средства 5, соединенные с пневматическими приводными средствами 4, размещались в регулирующей коробке 7 на анодных средствах 1 на поверхности электролита. Для работы приводных средств 4 сжатый воздух подавался под максимальным давлением 5 бар. С помощью известных средств окись алюминия непрерывно подавалась под питающие средства 5 через трубу 3 на базе расчета, в соответствии с которым общий 25-часовой расход составил 2000 кг на электролиз. Когда подача осуществлялась в два места, то расход каждого места должен быть 1000 кг за 24 часа, т.е. 0,7 кг в минуту. Когда способ подачи включал четыре места, то расход должен был составлять 500 кг за 24 часа, т.е. 0,35 кг в минуту. Окиси алюминия подавались в одно место с расходом 0,35-1,0 кг в минуту.

Наиболее предпочтительная амплитуда вибрации V питающих средств 5 была 0,8-1 см, а частота - 16- 25 Гц. Когда средства начинают работать, то в зоне подачи окиси алюминия и рядом с ней образуется корка 8 электролита. После этого слой 10 окиси алюминия покрывает корку 8 электролита и начинает расти до тех пор, пока самый верхний слой окиси алюминия не достигнет питающих средств 5. В рабочем диапазоне питающих средств 5 окись алюминия становится конденсированной, а вибрационные силы передаются через конденсированный столбец окиси алюминия корке 8 электролита, которая разрушается, т.е. в ней образуется отверстие 9, через которое окись алюминия начинает непрерывно подаваться в расплав 6. В процессе образования отверстия 9 в корке 8 электролита силы вибратора 4 являются значительными, однако после завершения операции проникновения вибратор 4 работает по существу вхолостую, хотя окись алюминия непрерывно подается в расплав 6 и подача является автоматической. Когда нагрузка подачи увеличивается, потребляемая мощность вибратором 4 растет, и наоборот. Такой режим работы является очень важным в указанных условиях.

В процессе подачи вибрационные питающие средства 5 перемешиваются вертикально вниз на 100-150 мм в расплавленную зону электролита с интервалами 30-60 мин с тем, чтобы заранее помочь поддержать отверстие 9 в корке 8 электролита открытым.

Регулируя амплитудно-частотные настройки приводных средств 4, а также вместе с ними регулировка питающих средств 5 осуществлялась путем увеличения или уменьшения количества воздуха, подаваемого к приводным средствам 4.

Доставка сырья в расплав 6, используя способ изобретения, может осуществляться в любом месте электролизера. Способ приемлем для любого типа электролизера, использующего один или более обожженных анодов или самоспекающихся анодов. Способ не ограничивается электролизером заданной мощности, и ряд агрегатов, подающих сырье, могут меняться, если нужно. Если совместно с одним электролизером используется несколько подающих устройств, воплощающих изобретение, то предпочтительно выбирать частоту вибраций различных питающих средств 5 взаимно различной величины, чтобы избежать сильных резонансов вибраций, передаваемых с питающих средств 5 на различные конструкции электролизера.

Формула изобретения

1. Способ подачи порошкообразного исходного материала в электролизер при производстве алюминия электролизом, например окиси алюминия, включающий транспортирование исходного материала посредством питающих средств и питающего элемента, находящегося в непосредственной близости от поверхности расплавленного электролита, через отверстие в корке электролита при вибрационном механическом воздействии на питающие средства, отличающийся тем, что в качестве питающего элемента, расположенного в непосредственной близости от поверхности электролита, используют регулирующий короб, в который помещают питающие средства, а вибрационное воздействие осуществляют путем вертикальной вибрации с амплитудой 0,5-1,5 см и частотой 11-40 Гц, причем отверстие в электролите формируют вокруг регулирующего короба и исходный материал подают в отверстие непрерывно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие осуществляют с амплитудой 0,8-1,0 см и частотой 15-20 Гц.

3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что подачу исходного материала осуществляют одновременно несколькими питающими средствами, причем частоту вибрации каждого средства устанавливают различной, обеспечивающей предотвращение резонансных колебаний электролизера.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что подачу исходного материала осуществляют при смещении питающих средств в заданные промежутки времени в непосредственную близость к расплавленному электролиту.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что смещение питающих средств осуществляют с интервалами 30-60 мин.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что механическую вибрацию в вертикальном направлении осуществляют путем передачи вибрации питающим средством с помощью пневматических приводных средств.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что вибрационное воздействие осуществляют с контролем частоты и амплитуды, причем частоту и амплитуду колебаний контролируют за счет регулирования подачи сжатого воздуха к приводным средствам.

РИСУНКИ

Рисунок 1