Введение к работе
Актуальность проблемы. Получение лигатур путем совместного восстановления оксидов поливалентных металлов и глинозема в алюминиевых электролизерах является перспективным направлением в электрометаллургии, поскольку данные продукты имеют более высокий уровень качества и производятся с меньшими затратами, чем лигатуры, полученные по традиционным технологическим схемам. Однако теоретические основы этих процессов недостаточно разработаны," вследствие чего их реализация осуществлялась в неоптимальных условиях, что затрудняло их широкомасштабное промышленное использование.
Кремний в ряду легирующих элементов занимает особое место, поскольку является главным компонентом наиболее распространенных литейных сплавов. Кроме того, диоксид кремния является одной из основных примесей в сырье и материалах.используемых при производстве алюминия и.'неизбежно присутствует в электролите. Эти обстоятельства, а также недостаточная изученность свойств оксидно-фторидных кремнийсодержащих систем и процессов их взаимодействия с силикоалгаминием, протекающих, например, при рафинировании последнего на металлургическом переделе, вызывает к этим объектам исследования особый научный интерес
В этой связи представлялось обоснованным осуществить комплекс фундаментальных исследований в области высокотемпературной физической химии и электрохимии криолит-оксидных расплавов для установления общих закономерностей процесса сплавообразования на жидком алюминиевом катоде и на основании полученных результатов разработать технологические режимы ведения принципиально новых процессов получения лигатур электролизом.
Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы следующая: с помощью систематических исследований физико-химических превращений, протекающих .'при электролизе расплава Na3AlFg - AI2O3 - SiOg на жидком алюминиевом катоде, создать теоретические основы и произвести крупномасштабное освоение на серийных алюминиевых электролизерах процесса получения лигатур с кремнием.
Для ее достижения необходимо было поставить и решить следующие научные, и прикладные задачи;
- исследовать превращения в расплавленной смеси
Na3AlF6- AI2O3- Si02;
изучить механизм и кинетику восстановления кремния из криолит-оксидного расплава на жидком алюминиевом катоде;
определить потерн металла в системе Al-Si/NagAlFg;
разработать и освоить технологию получения лигатур в промышленных алюминиевых электролизерах.
Научная новизна работы. В диссертации осуществлено научное обобщение полученных автором всесторонних экспериментальных данных, на основании которого решена важная народно-хозяйственная
Д В. Прутков
Автореферат 4
проблема: впервые разработаны теоретические основы производства лигатур в алюминиевых электролизерах, что позволило реализовать в промышленном масштабе электрохимический способ получения силико-алюминия. При этом был выполнен следующий объем работ.
исследовалось взаимодействие криолита с оксидами алюминия и кремния, определены газообразные и конденсированные продукты реакций, предложен механизм структурных превращений расплава, найдена область и установлен критерий его термической устойчивости; впервые показано, что данный расплав следует рассматривать как четверную взаимную систему Na.Al.Si// 0.F со стабильной псевдобинарной диагональю Na3AlF5~ NaAlSiC>4 . диаграмма состояния которой построена; получены первичные сведения об нонно-молекулярном строении расплава NagAlFg- АІ2%~ SiC>2 и предложена стехиометрия образующихся алюмосиликатных ионов;
впервые развиты представления об алюмотермическом восстановлении кремния из криолит-оксидного расплава, как о реакции цементации, что позволило рассматривать процесс сплавообразования в алюминиевом электролизере с электрохимических позиции;- установлено, что из данного электролита кремний восстанавливается ступенчато через стадию образования малорастворимого соединения кремния в низшей степени окисления, для которого определена величина произведения растворимости, найдены термодинамические и кинетические параметры электродной реакции кремния;
определены потери металла в системе Al-Si /HuqMFq .установлен состав пара над данной системой и измерена растворимость сплава в солевой фазе; показано, что вследствие взаимного уменьшения активности ингредиентов сплава снижается давление пара над системой и растворимость сплава; впервые получены количественные характеристики этих явлений;
исследована макрокинетика восстановления кремния в алюминиевом электролизере на силу тока 67 кА, определен коэффициент его мас-сопереноса; построена математическая модель процесса сплавообразования в допассивационных условиях, получены уравнения, описывающие переходные процессы до достижения стационарного состояния системы, разработаны практические рекомендации по организации процесса получения лигатур электролизом. Их опытно-промышленная проверка по ведению процесса при загрузке в электролизеры, кварцевого песка и алюмосиликатов групп андалузита и каолинита в поточно-регламентнрованном и непрерывном режимах показала адекватность математических моделей процесса реальным физическим объектам.
Практическая ценность работы состоит в том, что установленные фундаментальные закономерности использованы для решения одной из важнейших задач цветной металлургии - разработки технологического процесса получения лигатур путем совместного восстановления оксидов в алюминиевых электролизерах. В результате на 38 электролизерах на силу тока 67 кА был освоен электрохимический метод получения силикоалюминия с использованием природных бесще-
Д. В. Прутцков
Автореферат э
лочішх алюмосиликатов; за период эксплуатации электролизеров получено 14570 т лигатур, высвобождено 505 т кремния и сэкономлено 2040 т глинозема. Основные положсння.выноснмые на защиту
физико-химический механизм обменных реакции в расплаве Na3AlFg- AI2O3- SiO? , области его термической устойчивости и ионно-молекулярное строение;
электрохимическая природа процесса алюминотермического восстановления кремния из криолит-оксидного расплава через стадию образования малорастворимого соединения в низшей степени окисления; термодинамические и кинетические характеристики1 стадийного процесса с,участием соединении кремния;
зависимость потерь сплава Al-Si при его электролитическом получении, состава газовой фазы над системой Al-Si / NagAlFg и растворимости сплава в криолитовом расплаве от содержания кремния; теоретическое обоснование производительности алюминиевого электролизера при его переводе в режим получения сплавов с кремнием;
математические модели и технологические приемы ведения процесса получения лигатур Al-Si в существующих алюминиевых электролизерах. :
Апробация работы Диссертация'в целом и ее фрагменты обсуждались на VIII Всесоюзной конференции по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов ( Ленинград, 1983 г. ), IV Украинской республиканской конференции по электрохимии ( Харьков, 1984 г. ), заседании секции высокотемпературной электрохимии Научного совета по электрохимии АН СССР ' Гори, 1987 г. ), VIII Всесоюзном симпозиуме по химии неорганических фторидов ( Полевское, 1988 г. ), VII Всесоюзной конференции по электрохимии ( Черновцы, 1988 г. ), VI Кольском семинаре ю электрохимии редких и цветных металлов ( Апатиты, 1989 г. ), (аучно-технических советах И0НХ АН Украины, Красноярского инстн-ута цветных металлов, ВАМИ, Института Титана.
Публикации, Основное содержание диссертации опубликовано і 24 научных статьях и тезисах конференций. По результатам приладних исследований получено 9 авторских свидетельств.
Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введе-ия, 5 глав, общих выводов, содержит 271 страницу, в том числе 6 рисунков и 16 таблиц. Список цитируемой литературы ключает 187 наименований отечественных и зарубежных источников. Работа посвящена памяти великого ученого и прекрасного еловека, академика АН УССР 10. КДелимарского, общение с которым .їло для автора большой научной школой.
Д. В. Прутцков
Автореферат в
