Способ отбора проб электролита из электролизера для производства алюминия
Владельцы патента RU 2284377:
Открытое акционерное общество "Сибирский научно-исследовательский, конструкторский и проектный институт алюминиевой и электродной промышленности" (ОАО "СибВАМИ") (RU)
Изобретение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано при определении состава электролита и регулировании технологических параметров процесса. Способ отбора проб электролита включает локальное разрушение электролит-глиноземной корки, удаление угольной пены, перемешивание электролита, отбор пробы электролита предварительно нагретым пробоотборником, заливку пробы жидкого электролита в изложницу и ее кристаллизацию. При этом рабочую емкость пробоотборника нагревают до температуры не менее температуры кристаллизации щелочной составляющей электролита данного состава, а выдержку пробы в изложнице производят не менее 2,5 часа. Рабочую емкость пробоотборника предварительно нагревают до 200-250°С, а затем до температуры не менее температуры кристаллизации щелочной составляющей электролита, помещая ее в расплавленный электролит, находящийся в данном электролизере. Заливку жидкой пробы электролита из рабочей емкости пробоотборника в изложницу производят без остатка. Получение точных достоверных анализов проб электролита позволит осуществить вывод каждого электролизера на оптимальный технологический режим, повысить технико-экономические показатели процесса. 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано при определение состава электролита для контроля и регулирования технологических параметров процесса.
Контроль и на основе его корректировка криолитового отношения (К.О.) электролита в электролизере с целью поддержания К.О. в заданных пределах являются одними из основных операций процесса электролизера, направленных на стабилизацию технологических параметров и на повышение технико-экономических показателей.
Для стабилизации и корректировки состава электролита с целью введения в него тех или иных добавок на практике применяют различные способы определения состава электролита:
- приближенно по внешнему виду электролита - по цвету образца твердого электролита;
- калориметрический метод, основанный на применении индикаторов, изменяющих свою окраску в зависимости от значений рН электролита;
- кристаллооптический метод, позволяющий определять с достаточной точностью количественные определения электролита;
- метод титрирования расплавленного электролита фтористым натрием;
- дифрактометрический метод - рентгенографические исследования интерференционных максимумов криолита и хиолита;
- химический метод (Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М., "Металлургия", 1971 г., с.280-282 [1]).
В практике отечественных алюминиевых заводов наиболее широко применяется кристаллооптический метод, так как точность его удовлетворяет потребности производства и определение криолитового отношения электролита требует незначительных затрат труда.
Для производства этого анализа требуется отбор проб жидкого электролита из ванны электролизера и кристаллизация этой пробы для дальнейшего получения пробы исследуемого электролита.
Известна и повсеместно используется на алюминиевых заводах технология отбора проб электролита из алюминиевого электролизера для кристаллооптического анализа, включающая очистку электролит-глиноземной корки от глинозема в месте забора пробы, локальное разрушение корки, удаление угольной пены, перемешивание электролита, отбор пробы электролита предварительно нагретым пробоотборником, заливку пробы жидкого электролита в специальную изложницу и кристаллизацию пробы в ней. (Технологическая инструкция по электролитическому производству алюминия в электролизерах с верхним токоподводом Иркутского алюминиевого завода, ТИ 48-0106-19-36-92, ОАО "Сибирско-Уральская алюминиевая компания", филиал "ИркАЗ-СУАЛ", г. Шелехов, 1997., с. 62; рабочая инструкция по отбору проб электролита для определения величины криолитового отношения кристаллооптическим методом, 1998 г. [2]).
По технической сущности, наличию сходных идентичных признаков с предлагаемым решением известная методика, описанная в нормативно-технологической документации, принята в качестве ближайшего аналога.
При всей простоте, малых затратах известный способ имеет существенный недостаток: из-за недостаточного прогрева рабочей емкости пробоотборника (ложки) перед забором электролита из ванны на ее поверхности происходит кристаллизация "щелочной" составляющей расплава. В результате этого электролит в изложницу попадает с более низким К.О., чем в ванне, и, таким образом, проба, поступающая на кристаллооптический анализ не соответствует истинному составу электролита в электролизере. Занижение К.О. составляет 0,03-0,06 ед. Однако даже такая незначительная ошибка анализа приводит к дестабилизации технологического режима, снижению выхода по току.
Задачей предлагаемого решения является повышение технико-экономических показателей процесса электролиза.
Техническим результатом является достоверное определение К.О. электролита каждого электролизера, необходимая и достаточная корректировка состава для стабилизации и оптимизации технологического режима.
Технологический результат достигается тем, что в способе отбора проб электролита из электролизера для производства алюминия, включающем локальное разрушение электролит-глиноземной корки, удаление угольной пены, перемешивание электролита, отбор пробы электролита предварительно нагретым пробоотборником, заливку пробы в изложницу и ее кристаллизацию, рабочую емкость пробоотборника нагревают до температуры не менее температуры кристаллизации "щелочной" составляющей электролита данного состава, а выдержку пробы в изложнице производят не менее 2,5 часа, причем рабочую емкость пробоотборника предварительно нагревают до 200-250°С, а затем до температуры не менее температуры кристаллизации "щелочной" составляющей электролита, помещая ее в расплавленный электролит, находящийся в данном электролизере, и выливку жидкой пробы электролита из рабочей емкости пробоотборника в изложницу производят без остатка жидкого электролита в рабочей емкости пробоотборника.
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Промышленный электролит для производства алюминия представляет собой расплав солей: собственно криолит с различным К.О., добавки в виде различных соединений, глинозем.
В жидком солевом расплаве компоненты имеют различные физико-химические свойства, в том числе и различную температуру кристаллизации. При существующем способе отбора проб результаты кристаллооптического анализа систематически выдаются заниженными. Это происходит из-за недостаточного прогрева ложки (рабочей емкости пробоотборника) перед забором электролита из ванны, что приводит к кристаллизации в ней "щелочной" составляющей расплава электролита. В результате этого электролит попадает в изложницу с более низким К.О., чем в ванне. Занижение К.О. по данным "ИркАЗ-СУАЛ" составляет порядка 0,03-0,06 ед. и зависит от температуры прогрева ложки и времени нахождения в ней расплава.
В полученной пробе, таким образом, уже заложена погрешность в определении истинного К.О. электролита в ванне.
Кроме того, для получения достоверного анализа кристаллооптическим методом проба электролита должна охлаждаться медленно, с тем чтобы застывший электролит имел равновесную микроструктуру.
В предлагаемом решении нагрев рабочей емкости пробоотборника (ложка) до температуры не менее температуры кристаллизации "щелочной" составляющей электролита данного состава устраняет ошибку в определении истинного К.О. электролита, связанную с кристаллизацией этой составляющей на стенках пробоотборной емкости, а выдержка пробы в изложнице не менее 2,5 часа обеспечивает равновесную микроструктуру пробы.
Причем реализация технологии отбора проб электролита по предлагаемому решению не требует дополнительных трудовых и энергозатрат, т.к. нагрев рабочей емкости пробоотборника (футерованной металлической ложки) осуществляют в две стадии: нагрев до 200-250°С, помещая ее на поверхность электролит-глиноземной корки ванны алюминиевого электролизера, а нагрев до температуры не менее температуры кристаллизации "щелочной" составляющей электролита, помещая ее в расплав электролита, находящийся в данном электролизере.
Выливку жидкой пробы электролита из рабочей емкости пробоотборника в изложницу без остатка осуществляют для визуального контроля достоверности отбираемой пробы.
Получение достоверных данных кристаллооптического анализа проб электролита, отобранных по предлагаемой технологии, из каждого электролизера позволяет производить дифференцированную корректировку К.О. электролита каждого электролизера необходимым и достаточным количеством фтористых солей, обеспечивающим стабилизацию технологических параметров и высокую эффективность процесса электролитического получения алюминия.
От ближайшего аналога предлагаемое решение отличается следующим:
- рабочую емкость пробоотборника нагревают до температуры не менее температуры кристаллизации "щелочной" составляющей электролита;
- нагрев рабочей емкости пробоотборника производят в две стадии:
предварительно до 200-250°С, например на электролит-глиноземной корке ванны электролизера, а затем до температуры не менее температуры кристаллизации "щелочной" составляющей электролита, помещая ее в расплавленный электролит, находящийся в данном электролизере;
- выливку жидкой пробы электролита из рабочей емкости пробоотборника в изложницу производят без остатка жидкого электролита в рабочей емкости пробоотборника.
Наличие в предлагаемом техническом решении существенных признаков, отличных от признаков ближайшего аналога, позволяющих при их использовании получать более высокий результат, позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения "новизна".
Сравнительный анализ предлагаемого решения с ближайшим аналогом и другими известными решениями, в том числе и из смежных областей, выявил следующее:
- известен нагрев рабочей емкости пробоотборника до 200-250°С перед отбором проб электролита (Инструкция по ТБ №10-001-93 [3];
- известна добыча поваренной соли из концентрированных рассолов (раны) путем кристаллизации соли при охлаждении раны (Позин М.Е "Технология минеральных солей" ч.1, с.83, "Химия" Ленинградское отделение, 1970 г. [4];
- известен способ кристаллизации солей из растворов, согласно которому процесс осуществляют контактным охлаждением раствора путем введения в него частично или полностью замороженного такого же раствора (патент РФ №2102107, В 01 D 9/02, [5];
- известен способ выделения сульфата натрия из растворов газоочистки электролитического производства алюминия, согласно которому растворы газоочистки, насыщенные сульфатом натрия, охлаждают в каскадно расположенных кристаллизаторах, при t=7-(-5)°C, причем температуру каждого предыдущего кристаллизатора поддерживают на таком уровне, чтобы она отличалась от температуры последующего на 4-6°С (патент РФ №2064891, С 01 D 5/00, [6];
- известен способ получения лигатуры для модифицирования алюминия и алюминиевых сплавов, включающий расплавление, охлаждение расплава до жидкотвердого состояния, кристаллизацию из обогащенного интерметаллидами слоя расплава, в котором кристаллизацию осуществляют на твердую металлическую основу, которую пропускают через расплав при температуре:
t=tc+(0,1-0,2)·tкр, где
tc - температура солидуса сплава;
tкр - температурный интервал кристаллизации (А.с. СССР №1542060, С 22 С 1/02, 1988 г., непубл. [7]).
При общеизвестности принципы выкристаллизовывания из раствора одного солевого составляющего путем охлаждения не выявлено решений, в которых бы определялись условия, предотвращающие этот процесс и при этом оказывающие влияние не только на физико-химические свойства самого раствора (для предлагаемого решения - расплава электролита), закристаллизовавшегося раствора (пробы электролита), но и на последствия анализа этого закристаллизовавшегося раствора (достоверный кристаллооптический анализ пробы электролита и на его основе корректировка К.О. каждого электролизера для стабилизации К.О. и повышения выхода по току).
Причем корректировка К.О. электролита на основе достоверного анализа необходимым и достаточным количеством фтористых солей позволит сократить их непроизводительный расход, стабилизировать технологический режим, повысить выход по току.
Таким образом, предлагаемое решение характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих известные решения, и эти признаки при использовании позволяют получать более высокий технико-экономический результат, что и позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ отбора проб электролита реализуется следующим образом.
Проба электролита отбирается перед анодным эффектом, в период минимальной концентрации глинозема в электролите. В середине продольной стороны электролизера отгребают глинозем до корки и в этом месте ломиком пробивают корку электролита, насыщенного глиноземом, шумовкой извлекают из отверстия куски корочки, снижают угольную пену, перемешивают электролит. Пробу жидкого электролита из ванны отбирают предварительно прогретой на корке до 230°С металлической футерованной ложкой и выливают из нее жидкий электролит в изложницу. На внутренней поверхности ложки остается тонкая корочка электролита. Из этого же отверстия после очистки шумовкой и перемешивания электролита отбирают пробу ложкой, предварительно прогретой на корке до 230°С, а затем помещенной в электролит и выдержанной в нем 3 минуты.
Пробу из ложки выливают в изложницу, электролит из ложки выливается без остатка. Обе пробы электролиты выдерживают в изложницах 3 часа и затем отправляют на кристаллооптический анализ. Результаты анализа на К.О. следующие:
| отбор проб ложкой, нагретой до 230°С | 2,80 |
| ложкой, нагретой до 230°С и прогретой | |
| в электролите | 2,85 |
Таким образом, ошибка определения К.О. составляет 0,05 ед.
Недостоверность анализа приводит к дестабилизации технологического режима в случае корректировки электролита и к снижению выхода по току при принятии этого анализа как истинного и стабилизации основных технологических параметров в соответствии с ним.
Предлагаемая технология опробована на Иркутском алюминиевом заводе. Получены следующие результаты:
- получаемые с ее использованием результаты анализа проб электролита на К.О. кристаллооптическим методом удовлетворяют потребностям производства, являются достоверными;
- на базе достоверных анализов становится возможным вывод каждого электролизера на оптимальный технологический режим для получения более высокого выхода по току.
В дальнейшем планируется использование данной разработки в технологии точного дифференцированного питания электролизеров фтористыми солями.
1. Способ отбора проб электролита из электролизера для производства алюминия, включающий локальное разрушение корки электролита, удаление угольной пены, перемешивание электролита, отбор пробы электролита предварительно нагретой на корке электролита рабочей емкостью пробоотборника, заливку пробы жидкого электролита из рабочей емкости пробоотборника в изложницу и ее кристаллизацию, отличающийся тем, что рабочую емкость пробоотборника нагревают до температуры не менее температуры кристаллизации щелочной составляющей электролита данного состава путем помещения ее в расплавленный электролит электролизера и выдержки в нем, кристаллизацию проводят выдержкой пробы в изложнице не менее 2,5 ч, а заливку жидкого электролита из рабочей емкости пробоотборника в изложницу производят без остатка жидкого электролита в рабочей емкости пробоотборника.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую емкость пробоотборника предварительно нагревают на корке электролита до 200-250°С.
