Введение к работе
Актуальность работы. Одной из главных задач, стоящих перед алюминиевой промышленностью в настоящее время, является снижение прямых затрат на электролитическое производство и увеличение выхода по току до 93,5-94,5%. Предприятия, оборудованные электролизерами с обожженными анодами (OA) мощностью более 160 кА перешли на технологию электролиза с кислыми электролитами (криолитовым отношением КО = 2,2-2,5) около 10 лет назад.
При переходе с поточной обработки на точечное питание глиноземом через системы автоматического питания глиноземом (АПГ) на электролизерах типа С-160, С-160М, С-175М Уральского алюминиевого завода (ОАО «УАЗ-СУАЛ») и Таджикского алюминиевого завода (ГУП «TALCO») возникли технологические трудности, связанные с корректировкой состава электролита и растворением глинозема в кислых электролитах. Эти проблемы обусловлены физико-химическими процессами в межполюсном расстоянии, а следовательно, и изменениями теплового баланса и магнитогазоди- намических потоков, что затрудняет адаптацию технологии кислых электролитов применительно к промышленному комплексу с электролизерами 160-175 кА.
Основным преимуществом электролита с низким КО является снижение активности ионов натрия, что позволяет уменьшить скорость обратных реакций и снизить температуру процесса. Для эффективной работы электролизеров в условиях низких температур при изменяющейся магнитодинамической ситуации представляет интерес изучить процессы растворения фторированного глинозема газоочисток (глинозем ГОУ) в межполюсном пространстве (МПР) для корректировки и стабилизации КО в заданных пределах и правильного формирования рабочего пространства с целью увеличения срока службы электролизера и увеличения выхода по току.
Существенный вклад в развитие теории и практики электролитического производства первичного алюминия внесли известные российские учёные и специалисты Ю.В. Баймаков, М.М. Ветюков, А.А. Костюков, А.М. Цыплаков, Ю.В. Борисоглебский, Н.А. Калужский, П.В. Поляков, М.Б. Раппопорт, Г.В. Галевский, М.Я. Минцис,
В.М. Сизяков, В.А. Крюковский, Г.А. Сиразутдинов, Ю.П. Зайков и др.
Заметным вкладом в этом направлении науки являются работы, выполненные научными школами Политехнического университета, Горного университета (С-Петербург), ОАО «РУСАЛ ВАМИ», Уральского федерального университета, Сибирского федерального университета, Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, инженерно-технологического центра ОК РУСАЛ и производственных коллективов алюминиевых предприятий.
Актуальным является выбор рационального состава электролита и стабилизация КО в заданных пределах, когда для определенного типа электролизеров надо рассчитать необходимый уровень добавок фторидов и значение концентрации глинозема в МПР при помощи алгоритма питания фторидами и фторированным глиноземом ГОУ через системы АПГ.
Представленные в диссертации исследования выполнялись в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Цель работы: Повышение эффективности работы мощных электролизеров для производства алюминия при использовании кислых электролитов с обоснованием их состава, способов загрузки и стабилизации технологических параметров в заданных пределах.
Основные задачи исследований:
проанализировать современные тенденции в технологии работы мощных электролизеров на кислых электролитах и обозначить проблемы, связанные с питанием фторидом алюминия через автоматизированные системы;
сформулировать требования к рациональному химическому составу электролита для электролизеров большой мощности различных конструкций на основе сравнительного анализа промышленных электролитов при изменяющихся технологических условиях процесса;
исследовать поведение компонентов криолит- глиноземного расплава, в частности натрия, при высоком содержании фторида алюминия и минимальных концентрациях глинозема 1,5-2,5%;
оценить влияние воздействия высокой амперной нагрузки на физико-химические свойства криолит-глиноземных расплавов при переизбытке фторидов;
изучить особенности питания электролизеров фторированным глиноземом газоочисток и скорость его растворения в кислых электролитах при различных способах подачи сырья.
Методика исследований. В работе использованы современные методы химических и физико-химических анализов: спектральный, рентгенофазовый (РФА), рентгеноспектральный (РСА), дифференциально-термический анализ (ДТА), фракционный, спектрофо- тометрический, электронной и инфракрасной спектроскопии. Для теоретических обобщений использовались современные методы статистического и математического анализа при помощи компьютерных программ Statistica, MathCAD.
Структурное исследование осуществлялось методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе JSM-6460 LV (JEOL, Япония) с аналитической приставкой INCA (Oxford, Великобритания). Определение элементного и фазового составов образцов расплава проводилось на дифрактометре ДИФРЕЙ-402 и анализаторе РЕАН (ЗАО «Научные приборы» (г. Санкт-Петербург)), и на автоматизированном рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-6000 (Япония). Состав отходящих газов определяли на масс-спектрометре Pfieffer Vacuum Termostar GSD301T3 (Германия).
Научная новизна:
изучена кинетика процесса пропитки футеровочных материалов натрием и формирование настыли в системе Al2O3 - NaF - AlF3 в условиях кислых электролитов на мощных электролизерах с обожженными анодами;
определен рациональный уровень концентрации глинозема 2,5-3,5% в электролите при низком криолитовом отношении, обеспечивающий работу электролизера с обожженными анодами при минимальном количестве анодных эффектов;
выявлено, что при минимальном содержании глинозема 1,5-2,5% и криолитовом отношении 2,35-2,45 в электролите, преоб-
ладают оксифторидные комплексы определенного состава (AlO2F42- и AIO2F62-);
установлено, что стабилизация криолитового отношения в заданных пределах 2,35-2,45 позволяет снизить активность ионов Na на 25% в условиях низкой концентрации глинозема 2,5-3,5%, за счет регулируемой подачи фторированнного глинозема через автоматизированные системы АПГ.
Практическая значимость работы:
разработаны методики работы с питанием электролизных ванн фторированным глиноземом через системы АПГ. Даны рекомендации для корректировки заводских технологических инструкций для ГУП «TALCO» (Республика Таджикистан) и ОАО «УАЗ- СУАЛ» (г. Каменск-Уральский);
предложена схема логистики отбора проб и разработан способ контроля при помощи современных минилабораторий ОАО «Научные приборы» (г. Санкт-Петербург);
разработан алгоритм питания электролизеров типа 160М (Таджикском алюминиевом заводе и Уральском алюминиевом заводе) для корректировки состава электролита фторидом алюминия через системы автоматического питания фторсолями.
Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов исследований и обработки параметров, а также соответствием полученных экспериментальных данных в лабораторных условиях и практических результатов на алюминиевых заводов, отмеченных в актах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались: на Всероссийской научной конференции «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010г.); на V международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ» (Таджикистан, г. Душанбе, ТТУ, 2011г.); на III Международном конгрессе «Цветные металлы - 2011» (г. Красноярск, 2011г.); на международной научно-практической конференции «XL Неделе науки в СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2011г); на международной
научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (г. Тамбов, 2013 г.); на международной научной конференции на базе Фрайбергской горной академии (Германия, г. Фрайберг, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора состоит в постановке задач и разработке методик исследований, проведении лабораторных и промышленных экспериментов, разработке рекомендаций для интенсификации растворения глинозема в электролитах мощных алюминиевых электролизеров.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, содержит 19 таблиц и 31 рисунков. Общий объем работы - 123 страницы машинописного текста.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры металлургии Национального минерально-сырьевого университета «Горный», лично профессору Сизякову В.М. и д.т.н. Бажину В.Ю. за помощь в подготовке диссертационной работы, а так же заведующему кафедрой МЦМ ТТУ профессору Джураеву Т.Д. и НИИМ ГУП «TALCO», директору члену корреспонденции академии наук Республики Таджикистана Х. Сафиеву.
