Введение к работе
Актуальность работы.
Обеспечение растущего спроса на металлопродукцию и развитие ресурсосберегающих технологий в производстве алюминия основано на повышении производительности электролизеров с обожженными анодами (ОА). В современных условиях рост производительности достигается за счет увеличения амперной нагрузки (более 300 кА) при условии применения следующих технологических решений: использование кислых модифицированных электролитов с поддержанием перегрева (5-^15) С, уровня (18-К22) см, а также концентрации оксида алюминия в пределах (2,0-^3,5) % масс.
Разработка и внедрение алюминиевых автоматизированных электролизеров на повышенную силу тока входит в перечень важнейших инновационных научно-исследовательских разработок, рекомендуемых к реализации Минпромторгом России в период до 2020 года.
Одной из наиболее важных задач стабилизации высокоамперного электролиза является поддержание концентрации оксида алюминия в электролите в интервале (2,0^-3,5) % масс. Для этого применяются системы автоматического питания глиноземом (АПГ).
Большой вклад в развитие технологии мощного электролиза и повышение эффективности растворения глинозема внесли отечественные ученые и специалисты Федотьев П.П., Беляев А.И., Борисоглебский Ю.В., Баймаков Ю.В., МашовецВ.П, Качановская И.С., Ветюков М.М., Поляков П.В., Калужский Н.А., Крюковский В.А., Сизяков В.М., Зайков Ю.П., Исаева Л.А., а также зарубежные ученые KvandeH., GrotheimH., Оуе Н., Sorlie М., Welch В., ThonstadJ., Tabereaux A., Tarcy G., Wang X. и др.
Проблемы широкого внедрения современных мощных электролизеров на территории России связаны с небольшим периодом развития подобных технологий. Дефицит собственных высококачественных источников глинозема, частая смена поставщиков сырья, а также нестабильная гидродинамика расплава обуславливают снижение эффективности растворения глинозема. Одновременно с этим возникают сложные вопросы по адаптации систем АПГ к особенностям растворения (физико-химическим свойствам) глинозема (повышается вероятность образования изолирующих подовых осадков и анодных эффектов).
Выявление факторов, способствующих повышению скорости растворения глинозема, позволит снизить длительность периода адаптации системы АПГ и тем самым уменьшить вероятность дестабилизации процесса. Развитие технологии дифференцированного
питания, основанной на расположении зон интенсивности растворения глинозема, также является актуальным направлением повышения эффективности электролитического производства алюминия.
Работа выполнена в рамках Федеральных целевых программ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК№Ш187 «Исследование процесса растворения глинозема в криолитоглиноземных расплавах при изменяющихся магнитогидродинамических условиях»; ГК № 16.740.11.0507 «Развитие ресурсосберегающих основ производства алюминия с использованием высокоамперных технологий электролиза криолитоглиноземных расплавов») и «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 16.525.11.5004 «Разработка технологии комплексной переработки крупномасштабных отходов производства минеральных удобрений с получением товарных продуктов многофункционального назначения»).
Цель диссертационной работы.
Научное обоснование и разработка технических решений для повышения эффективности растворения глинозема в электролитах мощных алюминиевых электролизеров.
Основные задачи исследований.
Обоснование требований к химическому составу и перегреву электролита при различной динамике расплава для максимально эффективного растворения глинозема.
Установление функциональных зависимостей влияния содержания дисперсного углерода в электролите на скорость растворения глинозема.
Определение влияния геометрических размеров канала питания в высокоамперном электролизере на скорость растворения глинозема.
Установление влияния насыпной плотности глинозема, содержания в нем фтора на скорость его растворения в криолитоглиноземных расплавах.
Разработка алгоритма подачи глинозема в электролит для мощных алюминиевых электролизеров.
Методика исследований.
Для решения поставленных задач проведены экспериментальные исследования на лабораторном электролизере. Изучение концентрационных полей осуществлялось на промышленных электролизерах ОА-300М1 (320 кА) с использованием метода послойного отбора проб и последующим определением химического состава. Аналитические исследования осуществляли методами гравиметри-
ческого и потенциометрического анализов, рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Исследование фазового состава проведено при помощи рентгеновских дифрактометров Дифрей-402 и Shimadzu XRD-6000, с использованием информационно-поисковой системы рентге-нофазовой идентификации материалов. Структурное исследование образцов глинозема и электролита осуществлялось методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе JSM-6460 LV. Изучение гранулометрического состава проведено при помощи лазерного анализатора Horiba LA-950.
Научная новизна работы.
Установлена прямая зависимость изменения температурного перегрева криолитоглиноземного расплава относительно температуры ликвидуса от скорости его движения до значения 70 см/с при изменении содержания фторидов кальция (4-^7) % масс, магния (0^-4) % масс и лития(0,5-К2) % масс.
Определено влияние температуры электролита и массы навески на скорость погружения и растворения глинозема в интервале температур (940^-960) С при скорости расплава (14-К24) см/с; установлена взаимосвязь между тепловыми эффектами и процессом образования криолитоглиноземной корки.
Выявлено, что при повышении содержания углерода в электролите с 0 до 1 % масс скорость растворения глинозема увеличивается на (2^-3) мг/сек; в интервале (1-^30)% масс зависимость принимает обратный характер, скорость растворения уменьшается более чем в 3 раза.
Установлен механизм растворения глинозема с различным содержанием фтора и насыпной плотностью; определены режимы процесса в стационарных и динамических условиях; выявлено интенсифицирующие действие увеличения насыпной плотности глинозема на скорость его растворения.
Установлено, что механизм пыления глинозема различной микроструктуры при загрузке его в рабочее пространство алюминиевых электролизеров, включает: равномерное распределение фторидов на поверхности и в объеме зерен с высокой слоистостью; преимущественное проникновение твердых фторидов в трещины и деформации частиц глинозема; поверхностную адсорбцию фторводо-рода; равномерное распределение углерода в плотных зернах; образование игольчатой пленки на основе соединений кремния.
Практическая значимость работы.
1. Предложен способ корректировки химического состава электролита, учитывающий изменение динамики кристаллизации
электролита в зависимости от скорости его движения в различных зонах канала питания (патент РФ №2010134131).
Разработаны технические решения, позволяющие исключить образование корки и обеспечить растворение глинозема до момента погружения на границу электролит-металл.
Предложен способ интенсификации загрузки глиноземной шихты в электролит системами АПГ за счет создания вибрационного воздействия частотой (150-К250) мин" .
Разработан метод оценки величины потерь глинозема в электролитическом производстве алюминия.
Разработан алгоритм дифференцированного питания алюминиевого электролизера фторированным глиноземом с использованием функциональных зависимостей скорости растворения глинозема от его физико-химических свойств и технологических параметров процесса электролиза (патент РФ 2011116273/10, свидетельство об официальной регистрации программы №2011615779).
Результаты работы приняты к использованию ОК РУСАЛ и ООО «Бош Рексрот», что подтверждено актами внедрения.
Защищаемые положения.
1. Повышение эффективности растворения глинозема в элек
тролите высокоамперных электролизеров достигается при контроле
распределения компонентов электролита в канале питания, темпера
туры ликвидуса на участках с различной динамикой расплава и со
держания углерода в электролите (с учетом габаритных размеров
канала питания).
2. Снижение удельного расхода электроэнергии и частоты
анодных эффектов достигается при использовании систем автомати
ческого питания электролизных ванн глиноземом с подачей диффе
ренцированного сигнала на каждый дозатор, обеспечивающих эф
фективную загрузку и высокие скорости растворения глинозема в
электролите.
Апробация результатов работы.
Основные положения, результаты экспериментальных и теоретических исследований, выводы и рекомендации докладывались на МНПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); МНК «Трансферт технологий: от идеи к прибыли» (г. Днепропетровск, ДГУ, 2010 г.); МК «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, СФУ, 2010 г.); МНТК «Энергетика в глобальном мире» (г. Красноярск, 2010 г.); МК «Freiberg Forschungs forum. Scientific Reports of Resource Issues» (Германия, г. Фрайберг, 2010 г.); МК «Цветные металлы - 2010», «Цветные металлы - 2011
(г. Красноярск, 2010, 2011 гг.); МНПК «Энергосберегающие технологии в промышленности» (г.Москва. МИСИС, 2010г.); МЭК «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2010 г.); МНПК «ТЕХГОРМЕТ-2010» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010 г.); ВНПК «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2011 г.).
Личный вклад автора состоит в постановке задач и разработке методики исследований, проведении лабораторных и промышленных экспериментов, разработке рекомендаций для интенсификации растворения глинозема в электролитах мощных алюминиевых электролизеров.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 24 научные работы, в том числе 5 в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России, получено 3 патента РФ и подано 3 заявки на изобретение.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающей 148 наименований, и приложения. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 50 таблиц и 77 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры металлургии СПГГУ, профессору Сизякову В.М. и доценту Ба-жину В.Ю. за помощь в подготовке диссертационной работы.
