Способ получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия

Изобретение относится к способу получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия. Способ включает подачу в электролит фтористых солей, кислородсодержащего соединения алюминия и кремнефтористого натрия, при этом в качестве кислородсодержащего соединения алюминия используют глинозем и/или гидроокись алюминия, в электролит подают смесь кремнефтористого натрия и кислородсодержащего соединения алюминия при весовом соотношении 1:(1,5÷5,0) в пересчете на глинозем, а для подачи материалов в электролит используют установку автоматического питания электролизера. Обеспечивается расширение сырьевой базы производства алюминиево-кремниевых сплавов в электролизере за счет использования в процессе электролиза различных кислородсодержащих соединений алюминия, снижение потерь фтористых солей и кремния в процессе электролиза и повышение эффективности и экологической безопасности электролитического производства алюминия, снижение потерь фтористых солей и кремния. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для получения алюминиево-кремниевого сплава натриево-алюминиевых фторидов в электролизере для производства алюминия.

Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов, включающий периодическую загрузку глинозема и кремнийсодержащего оксидного сырья на корку электролита, разрушение корки с последующим погружением сырья в криолитоксидный расплав, в который загрузку кремнийсодержащего оксидного сырья осуществляют в течение суток каждые 3-6 час, причем масса загружаемой порции кремнийсодержащего оксидного сырья составляет 0,2-0,4% (в пересчете на SiO2) массы электролита (патент РФ №2030487, С25С 3/36, 1995 г., [1]). В качестве кремнийсодержащего оксидного сырья используют обожженный каолин.

При использовании известной технологии имеют место потери загружаемого сырья за счет пылеуноса, значительны потери фтористых солей с корки электролита при увеличении числа загрузок сырья. Кроме того, электрохимическое восстановление алюминия и кремния из каолина требует дополнительных энергозатрат на разрушение химической связи между окислами кремния и алюминия. В результате снижаются технико-экономические показатели процесса электролиза.

Известен способ получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия, включающий загрузку фтористых солей, глинозема, кремнийсодержащего компонента и электролиз, в котором в качестве кремнийсодержащего компонента используют кремнефтористый натрий, который предварительно спекают с глиноземом при 550-650°С при массовом соотношении 1:(0,5-1,5) (патент СССР №1826998, С25С 3/36, 1993 г., [2]).

По технической сущности, наличию сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Использование данной технологии, по сравнению с другими известными технологиями получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере, позволяет получать высококачественный сплав и дополнительно натриевый криолит, который используется при электролитическом производстве алюминия.

Вместе с тем, при реализации известного способа значительны потери фтора и кремния преимущественно в виде соединений SiF4 и АlF3 при прогреве и спекании шихты, ухудшается экологическая обстановка в корпусе электролиза, достаточно сложно осуществлять оперативное регулирование технологического процесса вследствие залповых загрузок спеченной кремнефторидной шихты в электролит.

Задачами предлагаемого технического решения являются: расширение сырьевой базы производства алюминиево-кремниевых сплавов в электролизере, снижение потерь фтористых солей и кремния в процессе электролиза и повышение эффективности и экологической безопасности электролитического производства алюминия.

Техническими результатами являются: использование в процессе электролиза различных кислородсодержащих соединений алюминия, снижение потерь фтористых солей и кремния.

Технические результаты достигаются тем, что в способе получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия, включающем подачу в электролит фтористых солей, кислородсодержащего соединения алюминия и кремнефтористого натрия, в качестве кислородсодержащего соединения алюминия используют глинозем и/или гидроокись алюминия, в электролит подают смесь кремнефтористого натрия и кислородсодержащего соединения алюминия при весовом соотношении 1:(1,5÷5,0) в пересчете на глинозем, а для подачи материалов в электролит используют установку автоматического питания электролизера.

Кроме того, для обеспечения необходимого состава электролита в качестве фтористой соли в электролит периодически подают фтористый алюминий и/или фтористый кальций.

Сравнение предлагаемого технического решения с решением по ближайшему аналогу показывает следующее.

Предлагаемое решение и ближайший аналог характеризуются сходными признаками:

- алюминиево-кремниевый сплав и жидкий электролит получают в электролизере для производства алюминия;

- подача в электролит фтористых солей, кислородсодержащего соединения алюминия и кремнефтористого натрия.

Предлагаемое решение характеризуется также следующими отличительными признаками, от ближайшего аналога:

- в качестве кислородсодержащего соединения алюминия используют глинозем и/или гидроокись алюминия;

- в электролит подают смесь кремнефтористого натрия и кислородсодержащего соединения алюминия при весовом соотношении 1:(1,5÷5,0) в пересчете на глинозем;

- для подачи материалов в электролит используют установку автоматического питания электролизера твердым сырьем.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих ближайший аналог, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого условию патентоспособности «новизна».

Техническая сущность предлагаемой технологии заключается в следующем.

Кремнефтористый натрий взаимодействует с глиноземом с образованием натриево-алюминиевых фторидов и диоксида кремния:

Взаимодействие (1) протекает через термическую диссоциацию Na2SiF6 с последующим фторированием глинозема газообразным тетрафторидом кремния и спеканием фторидов натрия и алюминия:

При высоких температурах и скоростях нагрева смеси скорость фторирования Аl2O3 по реакции (3) становится соизмерима со скоростью разложения Na2SiF6 по реакции (2). Это обеспечивает высокое извлечение фтора в криолит. Однако в этих условиях образуется крупнокристаллический SiO2 в форме кристобалита или топаза Al2SiO4(FOH)2. Крупнокристаллический SiO2 медленно растворяется в электролите, плохо восстанавливается, что приводит к образованию алюмосиликатов в электролите, ликвации расплава и расстройству технологии электролиза.

Однако этого можно не допустить, если взаимодействие кремнефтористого натрия с глиноземом проводить с большим избытком оксида алюминия при температурах 550-650°С и при высоких скоростях нагрева. Оптимальные условия протекания процесса - скорость образования SiF4 по реакции (2) должна быть не меньше скорости его взаимодействия с Аl2О3 по реакции (3). При таких условиях проведения процесса в качестве кислородсодержащего соединения целесообразно использование не только глинозема - оксида алюминия, но и гидрооксида алюминия, либо смеси этих соединений. В случае использования гидрооксида алюминия при нагреве до 400-450°С происходит дегидратация:

.

Образующийся высокоактивный оксид алюминия вступает в реакцию с тетрафторидом кремния по реакции (3) с образованием аморфного диоксида кремния, что способствует повышению эффективности процесса электролиза криолит-глинозем-кремнеземного расплава и улучшению качества сплава.

При соотношении в смеси Na2SiF6:Аl2О3 более чем 1:1,5 (например, 1:1) увеличиваются потери кремния и фтора в виде SiF4, что снижает извлечение и производительность процесса, ухудшает экологическую обстановку. При соотношении в смеси Na2SiF6:Аl2О3 менее 1:5 (например, 1:6) значительно увеличивается объем смеси кремнефторида натрия с кислородсодержащим соединением алюминия и затраты на ее приготовление, снижается до 3-3,5% содержание кремния в сплаве, что ограничит технологические возможности предлагаемого решения.

Указанные оптимальные условия проведения технологического процесса получения сплава и электролита достигаются при использовании для подачи материалов в электролит установки автоматического питания электролизера твердым сырьем (установки автоматической подачи глинозема и фтористых солей). В процессе такой подачи смеси реагентов происходит их взаимодействие в высокотемпературной области и с высокой скоростью нагрева. Реакции (2, 3, 4, 5) протекают последовательно-параллельно, что обеспечивает поступление в расплав электролита преимущественно продуктов реакции, а не сырьевых материалов. Подача смеси кремнефтористого натрия и глинозема в электролизер через установку автоматической подачи сырья, спекание смеси с высокими скоростями нагрева приведет к образованию в месте загрузки смеси криолит-глиноземного спека. Наличие в спеке низкомодульного (легкоплавкого) криолита обеспечит быстрое и эффективное растворение загружаемого глинозема в жидком криолите. В ванне электролизера завершаются процессы образования и разделения алюминиево-кремниевого сплава и натриево-алюминиевых фторидов. По мере наработки сплава и электролита производится их выливка из электролизера, например, вакуумным ковшом. Сплав поступает на литейный передел, электролит используется для различных технологических целей в электролитическом производстве, например, для пуска электролизеров после капитального ремонта или для компенсации потерь фтора на рядовых электролизерах. Качество получаемого по данной технологии жидкого электролита позволяет использовать его в электролитическом производстве алюминия-сырца без ухудшения его качества.

Предлагаемая технология позволит расширить сырьевую базу производства алюминиево-кремниевых сплавов, повысить эффективность электролитического производства алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов за счет дополнительного извлечения кремния и фтора в продукты, снизить экологическую опасность процесса за счет уменьшения выбросов газообразных фторидов.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области, выявленными в процессе поиска, показывает следующее.

Известен способ получения алюминиево-кремниевого сплава и натриево-алюминиевых фторидов в электролизере для получения алюминия, включающий загрузку в электролит предварительно спеченной смеси кремнефтористого натрия с глиноземом, в котором в исходную смесь реагентов дополнительно вводят карбонат натрия, предпочтительно содержащий не менее 80% массовых частиц крупностью более 160 мкм, содержание которого определяют по формуле:

где Р - весовой расход карбоната натрия на приготовление смеси, %;

С=0,67÷3,69 - весовое отношение кремнефтористого натрия к глинозему в исходной смеси (патент РФ №2047671, С25С 3/36, 1995 г., [3]).

В известном решении введение в исходную смесь реагентов карбоната натрия в количестве, определяемом формулой (6), предпочтительно указанного гранулометрического состава, увеличивает извлечение кремния и фтора в продукты, за счет связывания карбонатом натрия не прореагировавшего с глиноземом тетрафторида кремния, образовавшегося при термическом разложении кремнефтористого натрия, обеспечивает получение крупнокристаллического криолита, что также снижает потери фтора при использовании такого продукта.

Известен способ получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия, включающий загрузку фтористых солей, глинозема, кремнийсодержащего компонента в виде кека кремнезема, полученного разложением кремнефторсодержащих растворов гидрооксидом алюминия, причем перед загрузкой кек кремнезема нагревают до 400-600°С и перед нагреванием может быть произведено смешение кека кремнезема с натрийсодержащим компонентом при массовом соотношении натрия к содержащемуся в кеке алюминию (1,2÷2,2):1 (патент РФ №2037569, С25С 3/36, 1995 г., [4]).

В известном решении [4] получение высокоактивного диоксида кремния осуществляется путем обработки кремнефтористо-водородной кислоты гидрооксидом алюминия и выделения кремния в виде аморфного мелкодисперсного диоксида - кека кремнезема, а при смешивании кека кремнезема с соединениями натрия (фторида или карбоната) в указанных соотношениях сокращаются потери фтора и кремния на всех стадиях термообработки кека и в процессе получения сплава.

Известен способ получения криолита путем спекания кремнефтористого натрия с оксидным соединением алюминия при 500-800°С, в котором для повышения извлечения фтора в криолит спекание производят при поддержании скорости нагрева 100-400°С/мин (патент СССР №1310338, C01F 7/54, 1987 г., [5]).

В известном решении спекание кремнефтористого натрия может быть проведено как с глиноземом, так и с гидрооксидом алюминия. Извлечение фтора в криолит достигает 96,7%, но реализация данной технологии возможна только с использованием специального оборудования, обеспечивающего высокие температуры и скорости нагрева в достаточно короткие промежутки времени.

В отличие от известных решений, в предлагаемом способе повышение извлечения кремния и фтора в продукты и снижение потерь фтора достигаются взаимодействием кремнефтористого натрия с большим избытком глиноземсодержащего соединения и при высоких скоростях нагрева, что реализуется при подаче материалов в электролизер с использованием установки автоматического питания электролизера сырьем.

Реализация предлагаемой технологии не требует ни дополнительных операций с исходными реагентами, ни специального оборудования, ни дополнительных энергетических затрат.

В процессе сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся аналогичной или идентичной совокупностью признаков с предлагаемым и позволяющих получать при использовании такой совокупности признаков результаты, аналогичные от использования предлагаемого технического решения. Таким образом, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемая технология реализуется следующим образом.

Пример

Смесь кремнефтористого натрия перерабатывали в электролизерах для получения алюминия с самообжигающимися анодами С-8БМ при разном весовом соотношении компонентов. Суточная загрузка в электролизер кремнефтористого натрия составляла 400 кг при весовом соотношении кремнефтористого натрия к глинозему более 1:3. При соотношении кремнефтористого натрия к глинозему менее чем 1:3 суточная загрузка кремнефтористого натрия снижалась до 300 кг. Сила тока на электролизерах поддерживалась на уровне 165 кА при среднем криолитовом отношении электролита 2,30.

В соответствии с прототипом, смесь кремнефтористого натрия с глиноземом спекали на криолит-глиноземной корке электролизера в течение 4 часов с последующей загрузкой продуктов спекания в электролит по продольным сторонам электролизера в результате поточной обработки электролизеров.

По предлагаемой технологии на одной группе электролизеров перерабатывали смесь кремнефтористого натрия с глиноземом, а на другой - с гидроокисью алюминия. При этом загрузку смеси и глинозема в электролизер осуществляли с использованием установок автоматического питания. Каждый электролизер был оборудован 4 такими установками точечного типа. Порция смеси кремнефтористого натрия с кислородсодержащим соединением алюминия и глинозема, загружаемая в электролизер за одно срабатывание пробойника, варьировалась от 0,8 до 1,2 кг.

Выливка из электролизера нарабатываемого алюминиево-кремниевого сплава производилась вакуум-ковшом один раз в сутки, электролита - по мере наработки, ориентировочно один раз в двое суток.

Результаты месячной эксплуатации группы опытных электролизеров приведены в таблице.

По результатам опытно-промышленной эксплуатации электролизеров, приведенным в таблице, сделаны следующие выводы.

1. Заявляемый способ характеризуется более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с прототипом. Извлечение кремния и фтора в целевые продукты увеличивается на 1,0-2,0%. Выход по току возрастает на 0,2-0,3%.

2. Использование в составе смеси вместо глинозема гидроокиси алюминия, при прочих равных условиях, улучшает показатели процесса за счет более эффективного процесса фторирования свежеобразующегося оксида алюминия - продукта дегидратации Аl(ОН)3 газообразным тетрафторидом кремния.

3. При соотношении Na2SiF6:[Аl2О3 и/или Аl(ОН)3] в смеси менее 1:5 (в примере 1:7) при удовлетворительном извлечении кремния и фтора, а также выходе по току увеличиваются затраты на приготовление смеси Na2SiF6+[Аl2O3 и/или Аl(ОН)3], снижается до 3-3,5% содержание кремния в сплаве, что ограничит технологические возможности предлагаемого решения.

4. Использование установок АПГ обеспечивает равномерное поступление смеси Na2SiF6+[Al2О3 и/или Аl(ОН)3] в электролизер при высокой скорости нагрева реагентов. В результате повышается степень фторирования глинозема и стабилизируется состав электролита по содержанию глинозема и диоксида кремния.

Основные технологические операции, входящие в состав предлагаемой технологии, включающие загрузку в электролизер смеси кремнефтористого натрия с кислородсодержащим соединением алюминия и получение в процессе алюминиево-кремниевого сплава и натриевого криолита, отработаны в промышленных условиях. Результаты опытно-промышленной эксплуатации электролизеров с использованием предлагаемой технологии показывают ее высокую технико-экономическую эффективность и возможность промышленного использования не вызывает сомнений.

Информация

1. Патент РФ №2030487, С25С 3/36, 1995 г.

2. Патент СССР №1826998, С25С 3/36, 1993 г.

3. Патент РФ №2047671, С25С 3/36, 1995 г.

4. Патент РФ №2037569, С25С 3/36, 1995 г.

5. Патент СССР №1310338, C01F 7/54, 1987 г.

1. Способ получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия, включающий подачу в электролит фтористых солей, кислородсодержащего соединения алюминия и кремнефтористого натрия, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего соединения алюминия используют глинозем и/или гидроокись алюминия, в электролит подают смесь кремнефтористого натрия и кислородсодержащего соединения алюминия при весовом соотношении 1:(1,5÷5,0) в пересчете на глинозем, а для подачи материалов в электролит используют установку автоматического питания электролизера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фтористой соли в электролит периодически подают фтористый алюминий.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фтористой соли в электролит периодически подают фтористый кальций.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к цветной металлургии и может использоваться для переработки анодных осадков, образующихся при электролитическом рафинировании алюминия. .

Изобретение относится к производству алюминиево-кремниевых сплавов. .

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при производстве алюминиево-кремниевых сплавов и криолита в электролизерах для получения алюминия.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при получении алюминиево-кремниевых сплавов в электролизере для производства алюминия. .

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и касается получения алюминий-стронциевой лигатуры, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов. .

Изобретение относится к электрохимическим производствам, а точнее к полученинэ оксидных вольфрамовых бронз при меньшей температуре электрокристаллизации. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способу получения алюминия электролизом в криолит-глиноземных расплавах, и может быть использовано для производства алюминия и других металлов.

Изобретение относится к способу замены анода в электролизере по производству алюминия электролизом в расплаве, при котором используют по меньшей мере один инструмент манипулирования анодом, содержащий орган позиционирования и орган захвата, при этом во время выполнения операций замены определенного израсходованного анода на заменяющий анод определяют положение заменяющего анода на основе определенной совокупности измерений положения фиксированной точки РО, располагающейся на по меньшей мере одном инструменте манипулирования анодом, по отношению к определенной совокупности контрольных точек Р, располагающихся на определенных объектах, отдельных от этого инструмента манипулирования анодом.

Изобретение относится к способу замены анода электролизера по производству алюминия электролизом в расплаве, включающего в себя множество анодов. .

Изобретение относится к области контроля технологических процессов цветной металлургии, а именно к бесконтактным электромагнитным способам измерения количества расплавленного металла.

Изобретение относится к способу определения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве при получении алюминия электролизом. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, и может быть использовано при обжиге подины алюминиевого электролизера, выполненной из углеродистых блоков.

Изобретение относится к способу и оборудованию, предназначенным для замены анодов в электролитической ванне, в которых используют кран с захватом анода для подъема использованных анодов и для вставки новых анодов.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к эксплуатации электролизера для получения алюминия с применением кислых электролитов. .

Изобретение относится к способу определения содержания оксида алюминия в криолит-глиноземном расплаве в электролизере для производства алюминия. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способу получения алюминия электролизом в криолит-глиноземных расплавах, и может быть использовано для производства алюминия и других металлов.
Наверх