Способ ввода в эксплуатацию электролизера для производства алюминия

 

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом и может быть использовано при введении электролизера в промышленную эксплуатацию. Технический результат - повышение стойкости футеровки, срока службы электролизера и сортности получаемого металла. Сущность изобретения заключается в том, что при выводе на режим эксплуатации в пусковой период после заливки электролита поднимают напряжение на ванне до 15 - 20 В с выдержкой 0,4 - 0,5 ч, после заливки алюминия - 20 - 30 В до полного расплавления сырья, затем поддерживают напряжение 8 - 10 В в течение суток с подачей борсодержащего компонента в количестве 0,03 - 0,06 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла, а напряжение в послепусковой период поддерживают по следующему графику: 2 сутки - напряжение - 8,5 - 7,0 В, 3 сутки - 7,5 - 6,0 В, 4 сутки - 6,5 - 5,5 В, 5 сутки - 5,0 ± 0,2 В, 6 сутки - 5,5 - 6,0 В, 7 сутки - 6,5 - 7,0 В, 8 сутки - 7,0 - 7,5 В, 9 сутки - 7,5 - 8,0 В, 10 сутки - 8,0 - 7,5 В, 11 сутки - 7,5 - 7,0 В, 12 сутки - 7,0 - 6,5 В, 13 сутки - 6,0 - 5,5 В, 14 сутки - 6,0 - 5,5 В, 15 сутки - 5,5 - 5,0 В, 16 сутки - 5,5 - 5,0 В, 17 сутки - 5,0 - 4,5 В, причем на 2, 3, 4, 11, 12, 13 сутки подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,03 - 0,06 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла. Через 30 суток эксплуатации после пуска подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,06 - 0,5 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла. Через 60 - 75 суток подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,06 - 0,12 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла ежесуточно в течение 2 - 4 суток. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом, и может быть использовано при введении электролизера в промышленную эксплуатацию.

Ввод электролизера в эксплуатацию: обжиг, пуск и послепусковой период - в значительной мере определяют срок службы электролизера, устойчивость технологического процесса и качество получаемого алюминия-сырца. В этот период важно снижение (исключение) неравномерности прогрева подины, "натриевого удара" и других отрицательных явлений, приводящих к нарушению целостности и однородности футеровки, нарушениям технологического режима.

Для повышения стойкости футеровки используют реагенты, например борсодержащие, которые в процессе обжига и пуска под воздействием термических и электрических нагрузок, взаимодействуя с материалом футеровки, металлом и электролитом, образуют соединения, повышающие стойкость футеровки к алюминию и электролиту.

Известно выполнение в футеровке подины отражательной печи дополнительного защитного слоя толщиной, равной 0,05-0,3 толщины огнеупорного слоя, расположенного между огнеупорным слоем и засыпкой, состоящего, мас.%: Борный ангидрид (или борная кислота в пересчете на борный ангидрид) - 10-20 Фтористый натрий - 5-15 Углеродистый материал - 10-20 Легкоплавкая глина - Остальное [1] Недостатки известного решения: создание защитного слоя - процесс достаточно длительный из-за тепловой инерционности футеровки и не обеспечивает в полной мере защиту футеровки на ранней стадии от проникновения металлического расплава; значительный расход материалов.

Известен способ пуска алюминиевого электролизера после капитального ремонта, включающий загрузку пускового материала в шахту, заливку электролита, пуск электролизера, заливку жидкого алюминия, изменение напряжения и вывод на режим эксплуатации, в котором в качестве пускового материала используют твердый рафинированный оборотный электролит, имеющий криолитовое отношение 2,9-3,0 и содержащий 3,5-4,8 мас.% фтористого кальция, а снижение напряжения до рабочего ведут по графику: 1 сутки - 9,0-7,0 В 2 сутки - 7,0-6,0 В
3 сутки - 6,0-5,8 В
4 сутки - 5,8-5,0 В
5,6,7 сутки - 5,0-4,8 В
9 сутки - 4,8-4,5 В [2]
По технической сущности, наличию признаков данное решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатки известного решения:
значительны термические напряжения в катодной футеровке из-за значительных перепадов снижаемого напряжения; имеется опасность закарбиживания подины и образования коржей, что ведет к нарушению нормального технического режима.

Недостаточна высока стойкость катодной футеровки, срок службы электролизера.

Задача предлагаемого технического решения - повышение стойкости футеровки к расплаву, предотвращение проникновения расплава под подину, повышение срока службы электролизера и сортности получаемого металла.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе ввода в эксплуатацию электролизера для производства алюминия, включающем обжиг ванны, пуск электролизера, изменение напряжения, вывод на режим эксплуатации, в пусковой период после заливки электролита поднимают напряжение на ванне до 15-20 В с выдержкой 0,4-0,5 ч, после заливки алюминия - 20-30 В до полного расплавления сырья, затем поддерживают напряжение 8-10 В в течение суток, с подачей борсодержащего компонента в количестве 0,03-0,06 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла, а напряжение в послепусковой период поддерживают по следующему графику, В:
2 сутки - 8,5-7,0
3 сутки - 7,5-6,0
4 сутки - 6,5-5,5
5 сутки - 5,0±0,2
6 сутки - 5,5-6,0
7 сутки - 6,5-7,0
8 сутки - 7,0-7,5
9 сутки - 7,5-8,0
10 сутки - 8,0-7,5
11 сутки - 7,5-7,0
12 сутки - 7,0-6,5
13 сутки - 6,0-5,5
14 сутки - 6,0-5,5
15 сутки - 5,5-5,0
16 сутки - 5,5-5,0
17 сутки - 5,0-4,5
причем во 2, 3, 4, 11, 12, 13 сутки подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,03-0,06 мас.% (пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла.

Кроме того, через 30 суток эксплуатации после пуска подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,06-0,5 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла до достижения температуры электролита 990-1000^oC, а через 60-75 суток эксплуатации после пуска подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,06-0,12 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла ежесуточно в течение 2-4 суток.

В предлагаемом решении в отличие от прототипа изменяют напряжение на электролизере не только в период обжига и пуска, но и в послепусковой период и подают в ванну борсодержащий компонент.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Негативные явления в футеровке, которые на стадии введения ванн в эксплуатацию приводят к нарушению монолитности подины в настоящее время практически никак не контролируются. Это и неравномерный прогрев на обжиге, "натриевый удар" на пуске и локальная графитация блоков; период воздействия на процессы, происходящие в футеровке: обжиг, пуск и послепусковой период.

Именно в этот период и закладывается ресурс работы электролизеров.

Главными задачами являются
при обжиге - равномерный прогрев по площади подины, снижение (исключение) "натриевого удара", достижение полного коксования межблочных и периферийных швов;
на пуске и в послепусковой период - замедленная стабилизация теплового поля в объеме угольной футеровки (снижение вероятности "натриевого удара"), контроль начальной графитации угольных блоков, стабилизация и контроль процессов, происходящих в футеровке.

В предлагаемом решении стабилизация и контроль (активное влияние) осуществляется возмущением энергетического режима ванны (возмущение теплового поля в футеровке).

Это достигается изменением напряжения на ванне и подачей в электролизер борсодержащего компонента в определенные моменты времени и в определенных количествах. Введение борсодержащего компонента не только изменяет энергетический режим электролизера, но и ведет к образованию тугоплавких шпинелей типа m Al₂O₃·n·B₂О₃, стойких к воздействию расплавленного алюминия и электролита. Изменение напряжения на ванне (возмущение энергетического режима и соответственно возмущение теплового поля в футеровке способствует образованию тугоплавких соединений, заполнению ими неплотностей и трещин, что в конечном итоге предотвращает проникновение расплавов под подину.

Кроме того, в процессе ввода электролизера в эксплуатацию по данной технологии происходит образование защитного слоя в углеродных блоках и на их поверхности из боридов, карбида бора, алюминий очищается от Ti, V и др.

Таким образом, предлагаемая технология ввода в эксплуатацию электролизера позволяет повысить срок службы и повысить качество получаемого металла.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом и другими известными решениями в данной области, направленными на решение аналогичных задач, выявило следующее:
известно выполнение в футеровке отражательной печи защитного слоя в состав которого входит борный ангидрид (или борная кислота в пересчете на борный ангидрид в количестве 10-20 мас.% от состава слоя [1];
известен способ пуска алюминиевого электролизера, в котором снижение напряжения с 9 до 4,5 В ведут по графику в течение 9 суток [2];
известен способ пуска и ввода в нормальную эксплуатацию электролизера для получения алюминия, включающий изменение напряжения: подъем напряжения до напряжения анодного эффекта со скоростью 5-10 В/ч, а снижение до 8,0-8,5 В с этой же скоростью, а до 4,0-4,4 В со скоростью 0,3-0,5 В/ч [3];
известно использование в футеровке подложки, содержащей кислородсодержащие соединения бора в смеси с титаном и алюминием, которые в процессе обжига и пуска образуют плотный защитный слой, включающий диборид титана [4].

В результате поиска по патентной и научно-технической литературе и анализа не выявлено известных решений, в которых содержались бы признаки, идентичные существенным отличительным признакам предлагаемого решения.

Использование совокупности известных и отличительных признаков позволяет получать более высокий результат по сравнению с известными решениями.

Подача борсодержащих компонентов в электролизер ведет к возмещению энергетического и теплового режима и к образованию стойких к расплаву и электролиту соединений.

Подача в пусковой и послепусковой периоды борсодержащих (в пересчете на борный ангидрид) менее 0,03 мас.% от жидкого металла не оказывает существенного влияния на процесс (возмущения технологических и теплофизических параметров незначительны, увеличивается продолжительность воздействия).

Подача более 0,12 мас.% приводит к значительным возмущениям в короткие промежутки времени, т.е. к значительным тепловым и электрическим напряжениям на ванне, что отрицательно может сказываться на сроке эксплуатации электролизера. Происходит потеря бора в виде BF₃.

Подача борсодержащего компонента (в пересчете на борный ангидрид) через 30 суток после пуска в количестве 0,06-0,5 мас.% от жидкого металла до достижения температуры электролита 990-1000^oC и через 60-75 суток после пуска в количестве 0,06-0,12 мас.% ежесуточно в течение 2-4 суток обеспечивает эффективность активного влияния путем возмущения технологических параметров на процессы, происходящие в ванне.

Экспериментально отработанный режим изменения напряжения на ванне, согласованный с подачей борсодержащего сырья и технологическими операциями, способствует повышению эффективности влияния и контроля стабилизации процессов в футеровке электролизера.

Предлагаемая технология позволяет активно влиять на происходящие процессы, обеспечивая повышения срока службы электролизера и количество получаемого металла.

Кроме того, возможно использование электролизера, введенного в эксплуатацию по предлагаемой технологии, в качестве ванны - матки для ввода в эксплуатацию электролизеров данным способом.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример. Подготовку и обжиг проводили на металле в соответствии с действующей технологической инструкцией.

В период пуска, после заливки 7500 кг электролита устанавливают напряжение 18 В и выдерживают 0,5 ч. Затем устанавливают напряжение 6 В и выдерживают в течение суток. Затем заливают 5000 кг алюминия и устанавливают напряжение 25 В до полного проплавления пускового сырья. После прогрева ванны поддерживают напряжение 9 В и загружают 0,054 мас.% борной кислоты, что составляет 0,03 мас.% в пересчете на борный ангидрид от массы жидкого алюминия. Напряжение на ванне поддерживают в соответствии с экспериментально установленным графиком, причем во 2, 3, 4, 11, 12, 13 сутки подают в ванну по 0,108% борной кислоты ежесуточно, что составляет 0,06 мас.% в пересчете на борный ангидрид от массы жидкого алюминия.

Через 30 суток после пуска электролизера подавали в ванну по 0,18 мас.% борной кислоты, что составляет 0,1 мас.% в пересчете на борный ангидрид от массы жидкого металла. Подачу осуществляют ежесуточно до достижения температуры электролита 990-1000^oC.

Возвращение ванны к нормальной работе происходило самопроизвольно.

Через 70 суток эксплуатации после пуска подают ежесуточно в течение 3 суток 0,126 мас.% борной кислоты, что составляет 0,07 мас.% в пересчете на борный ангидрид от массы жидкого алюминия. В некоторых случаях в качестве борсодержащего компонента при вводе электролизера в эксплуатацию в ванну подавали буру - Na₂B₄O₇·10H₂O в количествах, определяемых данной технологией, в пересчете на борный ангидрид, в соответствии с режимом подачи борсодержащего компонента и режимом изменения напряжения на ванне.

Результаты ввода электролизера в эксплуатацию предлагаемым способом подтверждают эффективность технологии: на 20 ваннах, введенных в эксплуатацию, в течение года не наблюдалось технологических нарушений, связанных с нарушениями целостности футеровки, ванны работают в стабильном технологическом режиме и выдают в основном металл марок A6, A7.

Формула изобретения

1. Способ ввода в эксплуатацию электролизера для производства алюминия, включающий обжиг ванны, пуск электролизера, изменение напряжения, вывод на режим эксплуатации, отличающийся тем, что в пусковой период после заливки электролита поднимают напряжение на ванне до 15 - 20 В с выдержкой 0,4 - 0,5 ч, после заливки алюминия - 20 - 30 В до полного расплавления сырья, затем поддерживают напряжение 8 - 10 В в течение суток с подачей борсодержащего компонента в количестве 0,03 - 0,06 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла, а напряжение в послепусковой период поддерживают по следующему графику, В:
2 сутки - 8,5 - 7,0
3 сутки - 7,5 - 6,0
4 сутки - 6,5 - 5,5
5 сутки - 5,0 ± 0,2
6 сутки - 5,5 - 6,0
7 сутки - 6,5 - 7,0
8 сутки - 7,0 - 7,5
9 сутки - 7,5 - 8,0
10 сутки - 8,0 - 7,5
11 сутки - 7,5 - 7,0
12 сутки - 7,0 - 6,5
13 сутки - 6,0 - 5,5
14 сутки - 6,0 - 5,5
15 сутки - 5,5 - 5,0
16 сутки - 5,5 - 5,0
17 сутки - 5,0 - 4,5
причем на 2, 3, 4, 11, 12, 13 сутки подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,03 - 0,06 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что через 30 суток эксплуатации после пуска подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,06 - 0,5 мас. % (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла до достижения температуры электролита 990 - 1000^oC.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что через 60 - 75 суток эксплуатации после пуска подают в ванну борсодержащий компонент в количестве 0,06 - 0,12 мас.% (в пересчете на борный ангидрид) от жидкого металла ежесуточно в течение 2 - 4 суток.