Электролит для получения алюминия

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия, в частности к электролиту для получения алюминия. Электролит для получения алюминия содержит фторид кальция, литийсодержащий компонент и оксид алюминия, при этом в качестве литийсодержащего компонента он содержит литиевый криолит и дополнительно фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%: фторид калия 2-10; фторид кальция CaF₂ 3-5; оксид алюминия Al₂О₃ 2-3,5; литиевый криолит - остальное. Изобретение обеспечивает снижение себестоимости алюминия, повышение технико-экономических показателей работы электролизеров и увеличение срока службы электролизеров. 2 табл.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия с использованием электролита на основе литиевого криолита.

В настоящее время алюминий получают электролизом глинозема (Al₂O₃), растворенного в расплаве фторидов, основным компонентом расплава является натриевый криолит (Na₃AlF₆), к которому для улучшения физико-химических свойств (с точки зрения технологии) добавляют фториды щелочных и щелочноземельных металлов и фторид алюминия. Известно множество составов электролитов, различающихся по содержанию добавок. В электролитах промышленных составов концентрации основных добавок изменяются следующим образом: LiF от 0 до 7 мас.%, CaF₂ от 4 до 10 мас.%, AlF₃ от 6 до 12 мас.%, MgF₂ от 1 до 3 мас.%.

Известен электролит для получения алюминия (Авторское свидетельство СССР 979528, С 25 С 3/18, 1982), содержащий в качестве добавок к натриевому криолиту, мас.%: фторид кальция 6-10; фторид магния 0,5-1,5; фторид калия 0,5-1,5.

Известен процесс электролиза, в котором используется электролит, состоящий из смеси натриевого криолита, литиевого криолита и калиевого криолита, мас.%: литиевый криолит 17,5; калиевый криолит 5; натриевый криолит остальное (Индийский патент 68751, С 7 В, 1956).

Использование электролита, содержащего, мас.%: литиевый криолит 15, калиевый криолит 5, натриевый криолит 80, по сравнению с электролизером-свидетелем позволило снизить рабочее напряжение на 0,3 В, повысить выход металла по току на 4,5%, снизить удельный расход электроэнергии на 12%, при этом температура электролита снижается с 960°С до 930°С.

Известно использование в технологии электролитического производства алюминия электролита, включающего добавку фтористого лития в количестве 2-20 мас.%, предпочтительно 3-8%. В качестве исходных литийсодержащих материалов могут быть также использованы литиевый криолит, карбонат лития, гидроокись лития и другие соединения лития (Пат. США 3034972, 204-67).

Добавка 4,93 мас.% фтористого лития в электролит обусловила повышение силы тока на 11%, выхода по току на 0,8%, производительности электролизера на 12% при одновременном снижении удельного расхода электроэнергии с 18,0 до 17,5 кВт·ч, а удельного расхода анода - с 0,473 до 0,45 кг. Температура электролита снизилась с 974 до 961°С.

Перечисленные выше электролиты обладают недостатками. Несмотря на то, что различные концентрации добавок обусловливают различные физико-химические свойства, при изменении концентраций в указанных пределах при любой комбинации добавок важное для технологии свойство электролита, такое как удельная электропроводность меняется незначительно, а температура плавления весьма высока.

Известен следующий состав электролита (Патент США №5114545, МПК С 25 С 3/18, 05.19.1992), свойства которого при температуре 960°С изменяются в пределах (таблица I):

Таблица 1
Компонент	Содержание, мас.%	Температура плавления, °С	Удельная электропроводность, См/см	Плотность, г/см3	Растворимость глинозема, мас.%
LiF	0,5-1,5	950-987	2,22-2,45	2,08-2,13	7,2-8,7
MgF2	0-2
CaF2	3-5
AlF3	8-12
остальное - натриевый криолит и 1-6 мас.% глинозема от общего количества.

По назначению и наличию сходных существенных признаков данное решение принято в качестве прототипа.

Как видно из таблицы 1, температуры плавления электролитов достаточно велики, удельные электропроводности малы даже при относительно высокой температуре.

Недостатком электролита, выбранного в качестве прототипа, являются его относительно высокая температура плавления и низкая удельная электропроводность. При больших силе и плотности тока выделяется такое количество Джоулева тепла, что невозможно поддерживать приемлемую температуру электролиза и энергетический баланс электролизера при малых удельных расходах электроэнергии в условиях сохранения МГД устойчивости в зоне расплавов.

Поэтому при создании электролизеров нового поколения на большие силы и плотности тока приведенные составы электролитов использовать нельзя. С целью поддержания энергетического баланса при приемлемых условиях необходим такой состав электролита, который бы имел относительно низкую температуру плавления для ведения процесса электролиза при температуре меньше, чем 900°С, большую удельную электропроводность, более 3 См/см и достаточную растворимость глинозема, не менее 4 мас.%.

Задачей предлагаемого решения является снижение себестоимости получения алюминия, повышение технико-экономических показателей работы электролизеров и увеличение срока службы электролизеров.

Технический результат заключается в разработке состава электролита, имеющего низкую температуру плавления, большую удельную электропроводность и малую летучесть и обладающего способностью к повышенной растворимости глинозема.

Поставленная задача решается тем, что электролит для получения алюминия, содержащий фторид кальция, литийсодержащий компонент и оксид алюминия, согласно предлагаемому изобретению, содержит в качестве литийсодержащего компонента - литиевый криолит и дополнительно фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фторид калия	2-10
Фторид кальция	3-5
Оксид алюминия	2-3,5
Литиевый криолит	остальное

Техническая сущность предлагаемого решения состоит в следующем.

Применение электролита с малой температурой плавления, большой удельной электропроводностью, больше 3 См/см и малой летучестью, основным компонентом которого является литиевый криолит и добавлены фториды калия и кальция, позволяет проводить процесс электролиза при относительно низкой температуре с большими силой и плотностью тока с сохранением энергетического баланса электролизера при малых удельных расходах электроэнергии и высокой МГД устойчивости в зоне расплавов. При уменьшении температуры процесса

- снижается скорость взаимодействия футеровки ванны с компонентами электролита, что приведет к увеличению срока службы электролизера;

- снижается давление насыщенного пара электролита и скорость его испарения, что позволит снизить расход фторидов;

- снижается растворимость и скорость растворения алюминия в электролите, что приведет к повышению выхода по току.

При увеличении электропроводности электролита по сравнению с прототипом уменьшится падение напряжения в электролите, а значит снизится напряжение на ванне и, в целом, удельный расход электроэнергии.

Литиевый криолит в заявляемом составе электролита является основным компонентом. Такой электролит имеет низкую температуру плавления (700-800°С), его удельная электропроводность в 1,5 раза больше удельной электропроводности прототипа при одинаковых температурах. Добавление фторида калия в указанных пределах повышает растворимость глинозема. Добавление фторида кальция увеличивает выход по току.

Содержание фторида калия менее 2 мас.% не приведет к необходимому увеличению растворимости глинозема. Содержание фторида калия более 10 мас.% приведет к деформации и разрушению подовых блоков вследствие внедрения в них калия.

Содержание фторида кальция до 3 мас.% является фоном, не оказывает существенного влияния на процесс. При содержании фторида кальция более 5% возрастает плотность электролита и снижается МГД устойчивость электролизера.

При концентрации оксида алюминия менее 2 мас.% возрастает опасность возникновения анодного эффекта. При концентрации оксида алюминия более 3,5 мас.% электролит приближается к состоянию насыщения по оксиду алюминия, в результате скорость его растворения с точки зрения технологии становится недопустимо малой.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критериям «новизна» и «существенные отличия».

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример.

В лабораторных условиях проведен электролиз заявляемого состава электролита, мас.%: Li₃AlF₆ 88, KF 5, CaF₂ 4, Al₂О₃ 3 и электролита, выбранного как прототип, мас.%: AlF₃ 11,5, CaF₂ 4, LiF 0,5, Al₂О₃ 5, остальное Na₃AlF₆, при плотности тока 0,91 А/см² (сила тока 10 А) в течение 4 час. Электролитическая ячейка в обоих случаях представляла собой стальной стакан с помещенным в него графитовым тиглем, стенки которого изолированы корундом. Металл выделялся на расплавленном алюминии, находящемся на стальной подложке. Анод из углеродистого материала помещался сверху. Межполюсное расстояние (МПР) между анодом и катодом составляло 4,5 см.

В заявляемом составе электролита напряжение на ячейке при температуре электролиза 800°С составило 2,89 В, а привес металла - 89,0%. При уменьшении МПР на 1 см напряжение изменялось на 0,25-0,27 В.

Оценка свойств заявляемого электролита при температуре 800°С приведена в таблице 2.

Таблица 2
Компонент	Содержание, мас.%	Температура плавления, °С	Удельная электропроводность, См/см	Плотность, г/см3	Растворимость глинозема, мас.%
Li3AlF6	86,5-93	728-754	3,2-3,3	2,11-2,14	4-5
KF	2-5
CaF2	3-5
Al2O3	2-3,5

В электролите, выбранном в качестве прототипа, при температуре 955°С напряжение в ходе электролиза изменялось от 3,71 В до 4,09 В. Привес металла составил 83,7%. При уменьшении МПР на 1 см напряжение изменялось в среднем на 0,4 В.

Величина изменений напряжения на ячейке при уменьшении МПР свидетельствует, что удельное электрическое сопротивление у заявляемого состава электролита в среднем в ˜1,5 раза меньше, чем у прототипа.

Электролит для получения алюминия, содержащий фторид кальция, литийсодержащий компонент и оксид алюминия, отличающийся тем, что в качестве литийсодержащего компонента он содержит литиевый криолит и дополнительно фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фторид калия	2-10
Фторид кальция CaF2	3-5
Оксид алюминия Al2O3	2-3,5
Литиевый криолит	Остальное