Повышение эффективности электролиза алюминия на основе оптимизации распределения микропримесей в системе "Электролит - катодный алюминий" (стр. 1 )

На правах рукописи

МАКУШИН  Дмитрий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОПРИМЕСЕЙ  В СИСТЕМЕ

"ЭЛЕКТРОЛИТ -  КАТОДНЫЙ АЛЮМИНИЙ"

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных,  цветных и редких  металлов

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических  наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском  государственном  горном  институте имени (техническом университете)

Научный руководитель -

доктор технических наук,

профессор                        

Официальные оппоненты:

доктор технических наук                

                       

кандидат технических наук,

доцент                                                        

Ведущее предприятие -  Филиал «Волховский алюминиевый завод» открытого акционерного общества «Сибирско-Уральская алюминиевая компания».

         Защита диссертации состоится  "22"  мая  2007 г. в  16 ч 30 мин  на заседании диссертационного совета Д 212.224.03  при Санкт-Петербургском государственном горном институте  имени   (техническом университете) г. Санкт-Петербург, 21 линия,   ауд. 2205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан  "20"  апреля  2007 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д. т.н.,  доцент  В. Н.БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При электролитическом производстве алюминия в катодном металле всегда присутствует некоторое количество натрия, кальция и магния. При наличии в электролите добавок фторида лития в металле также может присутствовать литий, а в особых случаях калий в измеряемых количествах. Некоторые примеси, например натрий, отрицательно влияют на процессы литья и переработки алюминия.  Другие примеси ограничиваются в алюминии при его легировании.

Особо следует подчеркнуть отрицательную роль натрия. Исследования, выполненные за последние десятилетия, показывают, что с поведением натрия связаны такие важные вопросы, как выход по току и уменьшение срока службы электролизеров из-за внедрения натрия в углеродную подину.

Наиболее кардинальным способом увеличения долговечности электролизеров является применение в их конструкциях инертных электропроводящих материалов. Это стратегическая перспектива развития алюминиевой промышленности, требующая высокозатратного нового конструкционного оформления электролизеров. Хотя в данном направлении достигнуты значительные успехи, в ближайшие годы актуальным остается проведение исследований, ставящих своей целью изучение поведения примесей при электролизе и совершенствование технологии на существующих ваннах.

Исследования выполнялись в  соответствии с грантом РФФИ "Поддержка ведущих научных школ"  (проект № 00-15-9907л), грантом "Металлургия" Т02-053-3579 Министерства образования РФ "Создание наукоемких и технологических основ металлургических процессов получения новых продуктов на базе легких и редких металлов", НИР - госбюджет 1.8.08 "Разработка научных основ ресурсосберегающих экологически безопасных технологий в области комплексной переработки рудного и техногенного сырья цветной металлургии".

Цель работы: повышение эффективности производства алюминия на основе управляемого распределения микропримесей между электролитом и катодным алюминием; определение перехода примесей в алюминий при различных значениях криолитового отношения и наличии добавок фторидов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применяли экспериментальные исследования с использованием высокотемпературной лабораторной установки и исследования на промышленных электролизерах с ОА. Определение микропримесей осуществляли на современном спектральном квантометре SpectroLab M  высокой точности; криолитовое отношение (К. О.) определяли методом рентгено-структурного анализа.  Обработку экспериментальных данных проводили методами статистического анализа и математического моделирования с применением специальных компьютерных программ.

Научная новизна работы:

- в неравновесных условиях и при электролизе криолит-глиноземных расплавов получены характеристики распределения микропримесей (натрия, кальция, магния, лития) между металлом и  электролитом;

- выявлено каталитическое воздействие фторида кальция: при содержании в электролите более 3-4 % фторида кальция концентрация натрия в металле и подовых блоках резко возрастает. Добавки фторидов магния и лития оказывают положительное влияние на снижение концентрации исследуемых примесей в алюминии;

- показано, что примеси, в первую очередь натрий, предпочтительно переходят из электролита в более чистый алюминий. Рассмотрены кинетические характеристики взаимодействия алюминия с криолитом;

- на базе модели средних состояний ионов выполнено моделирование смешения в расплавленных солях для систем NaF - AlF3. Значения зависимости ΔH от состава использованы для расчетов активности компонентов и зависимости давления натрия от состава расплава;

- установлены закономерности взаимодействия металлического алюминия с криолитом в присутствии добавок фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов с позиций образования комплексных соединений.

Практическая значимость работы:

- проведена статистическая оценка корреляции содержания примесей в алюминии, получаемом в электролизерах ОА малой мощности (~ 60 кА).  Получены зависимости между содержанием Na и Mg, Ca и Mg, Na и Ca;

- подтверждено, что повышение содержания CaF2 в электролите от 4 до 6 % увеличивает содержание натрия и кальция в катодном алюминии в два раза (от 0,0045 до 0,0081 % натрия и от 0,00023 до 0,0004 % кальция). Установлена зависимость срока службы ванн от коэффициента корреляции R Na-Ca ;

- на промышленных электролизерах изучено поведение микропримесей  и К. О. электролита при загрузке фторида алюминия;

- показано периодическое изменение К. О. электролита и содержания микропримесей натрия в катодном металле; составлены алгоритмы питания электролизера фторидом алюминия;

- предложен способ одновременной и непрерывной загрузки перемешанной смеси фторида алюминия и глинозема в электролизер;

- на основании выполненного комплекса исследований выданы рекомендации по снижению содержания натрия в катодном металле, что увеличит срок службы электролизеров; подана заявка на изобретение “Способ питания алюминиевых электролизеров.”

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на конференциях: Международная научно-практическая конференция “Металлургия легких металлов. Проблемы и перспективы” (Москва, МИСиС, 2004); научная конференция молодых ученых “Полезные ископаемые России и их освоение” (Санкт-Петербург, СПГГИ, 2006); на Международном промышленном конгрессе в рамках “Петербургской технической ярмарки” (Санкт-Петербург, РЕСТЭК, 2006); Международной научно-практической конференции посвященной 75-летию ВАМИ (Санкт-Петербург, РУСАЛ - ВАМИ, 2006); 2-й Международной научно-практической конференции “Металлургия легких металлов. Проблемы и перспективы” (Москва, МИСиС, 2006);

Отдельные этапы и элементы работы рассматривались на научно-техническом совете “Волховский алюминиевый завод – СУАЛ”.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 4 статьях, тезисах 4 докладов, подана заявка на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающей 114 наименований.  Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц и 36  рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении  показана актуальность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой  главе  проанализировано состояние производства алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов, рассмотрено внедрение (переход) щелочных металлов в подину при электролизе, перспективы применения кислых электролитов, влияние состава электролита на содержание основных примесей в катодном металле.

Во второй  главе исследован переход натрия, магния, кальция и лития в алюминий особой чистоты  и в образцы катодных блоков из криолита при различных фторидных добавках.

В третьей  главе методологически и математически рассматривается модель смешения в расплавленных солях, что позволило представить в аналитическом виде зависимости энтальпии смешения  и активности компонентов от состава расплава.

В четвертой главе выявлены положительные корреляционные зависимости между содержанием натрия, магния и лития и отрицательная зависимость между натрием и кальцием, что корреспондируется с данными экспериментов.

В пятой  главе показано положительное влияние подачи перемешанной смеси оксида алюминия и фторида алюминия на технологические параметры процесса электролиза алюминия.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выявленные в лабораторных и в промышленных исследованиях закономерности перехода микропримесей из электролита в алюминий позволяют обеспечить минимизацию загрязнения алюминия натрием и переход его в подину; обозначено влияние фторида кальция на переход натрия в металл.

При производстве алюминия в электролизерах небольшой мощности насыщение расплавленного алюминия натрием при электролизе криолит-глиноземного расплава не достигается. Учитывая это обстоятельство и неоднозначные литературные данные по распределению примесей в алюминиевом катоде, нами исследовано взаимодействие в системе криолит-алюминий (АОЧ) в неравновесных условиях в электролитах (криолитовое отношение 2,1-2,7) при добавках фторидов кальция (5%), магния (3%) и лития (3%).