способ производства алюминия электролизом расплавленных солей

Формула изобретения

Способ производства алюминия электролизом расплавленных солей, включающий подачу в электролизер глинозема, фторсолей и борсодержащей добавки, отличающийся тем, что в качестве борсодержащей добавки используют борированный регенерационный криолит с содержанием бора 5 - 8 мас.%, полученный путем химического взаимодействия борсодержащих соединений с фторалюминатным раствором на стадии производства регенерационного криолита, при этом борированный регенерационный криолит подают в электролизер в соотношении 0,01 - 0,015 : 1 к массе получаемого алюминия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности, к электролитическому получению алюминия.

Известно, что на процесс электролиза алюминия сильно влияют примеси тяжелых металлов ванадия, титана, циркония, хрома, марганца и т.д., которые снижают его электропроводность.

Эти примеси образуют с алюминием твердые растворы, обладающие более низкой электропроводностью, чем чистые металлы или сплавы эвтектического типа.

По литературным данным и нашим исследованиям содержание примесей тяжелых металлов в алюминии можно снизить путем введения борсодержащих соединений в электролиты алюминиевых электролизеров в процессе электролиза или в литейные ковши перед разливкой алюминия.

Наиболее близким к предложенному является способ очистки алюминия борсодержащими соединениями от примесей ванадия и титана, предложенный Г.Петерсом (патент ФРГ N 1029168, кл. C 22 D, опубликован 30.04.58 г.). По этому способу борсодержащие соединения (бура - Na₂B₄O₇10H₂O, трехокись бора - H₃BO₃ 5H₂O) вводятся в электролит вместе с сырьем (глинозем, криолит) через корку электролита или вспомогательными материалами. В настоящее время на заводах, производящих электролитический алюминий, борсодержащие соединения в виде окислов вводят через корку электролита: на ИркАЗе - H₃ BO₃5H₂O - борная кислота, на ТадаЗе - Na₂B₄O₇10H₂O - бура. Недостатком этого способа является то, что борсодержащие соединения вводятся в виде окислов: B₂O₃ и Na₂O₃2B₂O₃ (H₃BO₃ -> B₂O₃ + H₂O; Na₂B₄O₇ -> Na₂O₃ B₂O₃ + H₂O).

Влага в борсодержащих соединениях содержится в двух формах: гигроскопической, удаляющейся при подслушивании на корке электролита, и связанной в виде гидратов. Последняя полностью не удаляется при подсушивании и частично поступает в электролит. Вредное влияние влаги проявляется прежде всего в гидролизе фтористых солей: 2/3(пNaFAlF₃) + H₂O₂ = 1/3Al₂O₃ + 2HF+2/3пNaF.

HF, получающийся по этой реакции, улетучивается вместе с анодными газами, а NaF повышает щелочность электролита, что вызывает дополнительный расход AlF₃ на доведение криолитового отношения до нормальной величины. Вредное влияние окислов состоит также и в том, что они увеличивают потери алюминия при электролизе, снижая выход по току, повышают электросопротивление (снижают электропроводность) электролита ("Справочник металлурга по цветным металлам".- М.: Изд-во "Металлургия", 1971, с. 57, рис. 56; с. 131), а также увеличивая расход технологической электроэнергии.

Целью предлагаемого изобретения является снижение расхода технологической электроэнергии на электролиз алюминия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе производства алюминия электролизом расплавленных солей, включающем подачу в электролизер глинозема, фторсолей и борсодержащей добавки, в качестве борсодержащей добавки используют борированный регенерационный криолит с содержанием бора 5-8%-продукта, полученного путем химического взаимодействия борсодержащих соединений с фторалюминатным раствором на стадии производства регенерационного криолита, который подают в электролизер в соотношении 0,01-0,015:1 к массе получаемого алюминия.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

На стадии получения регенерационного криолита борсодержащие соединения (буру или борную кислоту) вводят в процессе кристаллизации криолита, где эти соединения, взаимодействуя с фторалюминатным раствором (KF(NaF) + NaHCO₃ + NaAlO₂), переходят в борсодержащие соединения в виде KBF₄ NaBF₄ - тетрафторбората натрия. Введенный в элеткролит тетрафторборат натрия, диссоциируясь на ионы Na⁺ и BF^-, вступает в реакцию с примесями тяжелых металлов, например, титаном по схеме

BF₄^- + Ti⁺⁴ -> TiB₂ + F^-

Кроме того, тетрафторборат натрия, диссоциируясь на ионы Na⁺ и BF₄^-, тем самым повышает электропроводность электролита, а вместе с этим повышает выход по току путем устранения реакции

B₂O₃ + 2Al -> Al₂O₃ + 2B

Отличием предложенного способа по отношению к прототипу является введение в электролизер в качестве борсодержащей добавки борированного регенерационного криолита с содержанием бора 5-8% в соотношении 0,01-0,15:1 к массе получаемого алюминия.

Процесс получения регенерационного криолита включает в себя обработку отходящих фторсодержащих газов щелочным раствором и его варку с получением пульпы криолита, отделение криолита от щелочного раствора и подачу раствора на обработку отходящих фторсодержащих газов.

В процессе варки в криолит вводят борсодержащие соединения, в результате чего получают регенерационный криолит с примесью фторидов бора. Полученный регенерационный криолит высушивают и направляют в электролизное производство.

Содержание бора в регенерационном криолите в пределах 5-8% и соотношением 0,01-0,015:1 к массе получаемого алюминия объявляется глубиной очистки алюминия в процессе электролиза от примесей тяжелых металлов (титан, ванадий, хром, марганец, цирконий). По исследованиям авторов других источников, а также практике алюминиевых заводов (ИркАЗ и др.) для очистки алюминия от примесей тяжелых металлов необходимо вводить в электролит алюминиевого электролизера 60-90 г бора на 1 т получаемого алюминия (250-400 г буры или борной кислоты), что соответствует 5-8% содержания бора в регенерационном криолите или соотношению 0,01-0,015: 1 к массе получаемого алюминия (суточной производительности электролизера). При концентрации бора в электролите менее нижнего предела соотношения полная очистка алюминия не достигается особенно от примесей титана и ванадия. При верхнем пределе соотношения и выше достигается практически полная очистка от примесей титана и ванадия и значительно (5-8 раз) снижается концентрация примесей хрома, марганца и циркония, при этом снижается удельное сопротивление электролита (снижается падение напряжения; достигается экономия электроэнергии, см. таблицу), но известно, что с увеличением концентрации борсодержащих соединений в электролите увеличивается и концентрация бора в электролитическом алюминии, а это не желательно, т.к. бор отрицательно влияет на литейные свойства алюминия (горячеломкость и т. д.), поэтому доведение концентрации бора в электролите выше верхнего предела не желательно. В указанных же пределах концентрация бора в алюминии на литейные свойства металла существенно не влияет.

Пример. В электролиты опытных алюминиевых электролизеров вводили регенерационный криолит с содержанием в нем бора 5-8%, в пересчете на 1 т получаемого алюминия это составляет 60-90 г.

На контрольных электролизерах вводили борсодержащие соединения (борную кислоту) в электролит вместе с сырьем (глинозем, криолит) через корку электролита по известной технологии.

Результаты испытаний сведены в таблицу, из данных которой видно, что на группе опытных электролизеров удельное электросопротивление электролита снизилось на 0,014 Ом см, что соответствует снижению падения напряжения в электролите на 30 мВ и снижению расхода технологической электроэнергии на 104,9 кВт-ч/т Al.