Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

ВЛАСОВ Александр Анатольевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАСТВОРЕНИЯ ГЛИНОЗЕМА В ЭЛЕКТРОЛИТАХ МОЩНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

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 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сизяков Виктор Михайлович.

Официальные оппоненты:

Алексеев Алексей Иванович - доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный горный университет,заведующий кафедрой химических технологий;

Макушин Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, ООО Росинжиниринг проект, главный инженер проекта.

Ведущая организация - федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет.

Защита состоится л27 апреля 2012 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при СанктПетербургском государственном горном университете по адресу:

199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан л26 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. В.Н. Бричкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (515) С, уровня (1822) см, а также концентрации оксида алюминия в пределах (2,03,5) % 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 (2,03,5) % 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., Машовец В.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 Kvande H., Grotheim H., Oye H., Srlie M., Welch B., Thonstad J., Tabereaux А., 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 № П1187 Исследование процесса растворения глинозема в криолитоглиноземных расплавах при изменяющихся магнитогидродинамических условиях; ГК № 16.740.11.05Развитие 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.

1. Обоснование требований к химическому составу и перегреву электролита при различной динамике расплава для максимально эффективного растворения глинозема.

2. Установление функциональных зависимостей влияния содержания дисперсного углерода в электролите на скорость растворения глинозема.

3. Определение влияния геометрических размеров канала питания в высокоамперном электролизере на скорость растворения глинозема.

4. Установление влияния насыпной плотности глинозема, содержания в нем фтора на скорость его растворения в криолитоглиноземных расплавах.

5. 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 гравиметрического и потенциометрического анализов, рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Исследование фазового состава проведено при помощи рентгеновских дифрактометров Дифрей-402 и Shimadzu XRD6000, с использованием информационно-поисковой системы рентгенофазовой 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 LА-950.

Научная новизна работы.

1. 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 (47) % масс, магния (04) % масс и лития(0,52) % масс.

2. Определено влияние температуры электролита и массы навески на скорость погружения и растворения глинозема в интервале температур (940960) С при скорости расплава (1424) см/с;

установлена взаимосвязь между тепловыми эффектами и процессом образования криолитоглиноземной корки.

3. Выявлено, что при повышении содержания углерода в электролите с 0 до 1 % масс скорость растворения глинозема увеличивается на (23) мг/сек; в интервале (130) % масс зависимость принимает обратный характер, скорость растворения уменьшается более чем в 3 раза.

4. 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.

5. 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 фторводорода; 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).

2. Разработаны технические решения, позволяющие исключить образование корки и обеспечить растворение глинозема до момента погружения на границу электролит-металл.

3. Предложен способ интенсификации загрузки глиноземной шихты в электролит системами АПГ за счет создания вибрационного воздействия частотой (150250) мин-1.

4. Разработан метод оценки величины потерь глинозема в электролитическом производстве алюминия.

5. 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).

6. Результаты работы приняты к использованию ОК РУСАЛ и ООО Бош Рексрот, что подтверждено актами внедрения.

Защищаемые положения.

1. Повышение эффективности растворения глинозема в электролите высокоамперных электролизеров достигается при контроле распределения компонентов электролита в канале питания, температуры ликвидуса на участках с различной динамикой расплава и содержания углерода в электролите (с учетом габаритных размеров канала питания).

2. Снижение удельного расхода электроэнергии и частоты анодных эффектов достигается при использовании систем автоматического питания электролизных ванн глиноземом с подачей дифференцированного сигнала на каждый дозатор, обеспечивающих эффективную 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 - 20(г. Красноярск, 2010, 2011 гг.); МНПК Энергосберегающие технологии в промышленности (г. Москва. МИСИС, 2010 г.); 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.).

ичный 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 Бажину В.Ю. за помощь в подготовке диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость, определены цели и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ научно-информационных источников по проблеме влияния качества глинозема на техникоэкономические показатели процесса высокоамперного электролитического восстановления алюминия; технологических параметров электролиза и физико-химических свойств глинозема на скорость его растворения. Описаны современные технологические решения хранения и транспортировки глинозема, а также поддержания концентрации оксида алюминия в электролите.

Во второй главе выполнен обзор методик по определению скорости растворения глинозема и температуры ликвидуса электролита, описаны конструкция и порядок работы на лабораторном электролизере, представлена методика определения концентрационных полей мощных алюминиевых электролизеров.

В третьей главе приведены результаты определения концентрационных полей в электролитах промышленных электролизеров, лабораторных исследований влияния динамики расплава на температуру ликвидуса, температуры электролита, массы навески глинозема, габаритных размеров канала питания и содержания элементарного углерода в электролите на скорость растворения глинозема.

Проведен анализ полученных результатов.

В четвертой главе представлены результаты анализа промышленной системы транспортировки глинозема. Изучено влияние содержания фтора, насыпной плотности, плотности при уплотнении на скорость растворения глинозема в электролите с различной динамикой. Проведен анализ текучести и пылеобразования, как основных факторов снижения эффективности загрузки глиноземной шихты в электролит алюминиевого электролизера. Представлены теоретические результаты определения потерь глинозема на алюминиевых предприятиях ОК РУСАЛ.

В пятой главе проведено обобщение результатов исследования диссертационной работы и представлены рекомендации по их использованию в промышленности. Выполнено техникоэкономическое обоснование использования интегрированных систем АПГ, на примере Богучанского алюминиевого завода.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Повышение эффективности растворения глинозема в электролите высокоамперных электролизеров достигается при контроле распределения компонентов электролита в канале питания, температуры ликвидуса на участках с различной динамикой расплава, содержания углерода в электролите (с учетом габаритных размеров канала питания).

Характерной особенностью высокоамперных алюминиевых электролизеров является существенная нестабильность гидродинамики расплава, что обуславливает неравномерность распределения химических соединений в объеме электролита.

Для выявления зависимостей распределения химических соединений в объеме электролита выполнен отбор проб при помощи запатентованного устройства (рис.1), с последующим определением их состава (КО, CaF2, MgF2, Al2O3, C). Образцы электролита отбирались на 4 уровнях (рис. 2) в 9 точках канала питания трех электролизеров (рис. 3) ОА-300М1 (сила тока 320 кА, УАЗ).

бункер АПГ анод электролит металл ЭЛЕКТРОЛИТ прослойка электроАЛЮМИНИЙ лита под металлом Рис.1. Пробоотборник: 1 - держатель с уровнемером, 2 - устройство подъ- Рис. 2. Схема отбора проб электроема, 3 - металлическая задвижка, 4 - лита полости для электролита, 5 - карбидокремниевый корпус I 9 8 7 6 5 3 2 Рис.3. Схема отбора проб и усредненный состав электролита на ваннах ОА-300М1 в точках отбора проб (КО / CaF2, % масс / MgF2, % масс / Al2O3, % масс / углерод, % масс): - точка отбора пробы; - пробойник системы АПГ Определены зоны наиболее эффективного растворения глинозема для электролизера ОА-300М1 (табл. 1, рис. 4). Условия растворения глинозема наиболее благоприятны в верхних слоях расплава. По мере приближения к границе электролит-металл растворяющая способность расплава уменьшается.

По данным Слученкова О.В. скорость движения электролита в электролизере (сила тока 320 кА) изменяется в интервале 1424 см/с. Неравномерность динамики обуславливает различия скорости массопереноса и изменение механизма кристаллизации криолитоглиноземного расплава.

Температура ликвидуса электролита в интервале динамики (0100) см/с (рис. 5):

- (040) см/с - температура ликвидуса повышается на (7,58,0) С;

- (4080) см/с - температура ликвидуса повышается на (1,52,5) С;

- (70100) см/с - температура ликвидуса не изменяется.

Табл. 1. Состав электролита по его высоте в точках питания АПГ 1 АПГ 2 АПГ Соединение 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 КО 2,55 2,54 2,55 2,55 2,43 2,45 2,41 2,48 2,50 2,44 2,51 2,Al2O3 0 0,00 0,00 5,6 0,78 0,00 1,2 5,33 2,35 3,12 0,54 8,CaF2 5,27 5,12 5,57 5,21 4,25 4,85 5,12 4,01 4,78 4,93 4,98 4,MgF2 0,96 1,12 0,73 0,56 0,75 0,19 0,55 0,84 0,15 1,10 0,87 0,АПГ 4 АПГ 5 АПГ Соединение 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 КО 2,53 2,48 2,48 2,50 2,45 2,49 2,49 2,37 2,50 2,41 2,39 2,Al2O3 2,31 0,00 0,55 8,50 2,21 3,30 1,14 4,53 4,07 1,96, 2,14 7,CaF2 5,59 4,66 4,82 3,72 4,21 4,95 4,43 4,76 4,54 4,45 5,01 4,MgF2 0,49 0,43 0,71 0,65 1,07 0,59 0,88 1,15 0,45 0,65 0,92 0,Т лик = 1E-053-0,0042+0,351+931,R = 0,9Рис.5. Влияние скорости движения электролита на температуру ликвидуса Объяснение явлению загадка ликвидуса содержится в механизме конвективной диффузии. Ее скорость возрастает с увеличением поверхности контакта фаз, разности концентраций и продолжительности процесса, то есть главными факторами являются гидродинамические условия - скорость движения жидкой фазы.

При отсутствии перемешивания коэффициент конвективной диффузии равен нулю, а скорость фазового перехода минимальна.

При перемещении центра кристаллизации, коэффициент массопередачи определяется количественными характеристиками всех этапов диффузионного пути, слой неподвижной жидкости уменьшается, а температура ликвидуса повышается. Взаимное столкновение растущих кристаллов препятствует их росту, что на графике (рис.5) выражается перегибом в области (4060) см/с.

Изучено влияние концентрации модифицирующих добавок на температуру ликвидуса электролита. Температура ликвидуса снижается на 5,7 С, 4,5 С, 8,0 С при повышении концентрации СаF2, MgF2, LiF на 1 % масс соответственно. При этом механизм влияния скорости движения электролита не изменяется относительно системы Na3AlF6-Al2O3.

Определена скорость растворения глинозема (модифицированный ПО Глинозем) в кислом электролите (КО 2,28, CaF2 - 5,5%, MgF2 - 1,5%, Al2O3 - 0,3%) при скорости движения расплава (1424) см/с, что соответствует характеристикам промышленных мощных электролизеров. Схема ячейки для растворения представРис. 6. Электрохимическая ячейка: 1 - лена на рис. 6. Время погружения стальная реторта; 2 - мешалка верхнефиксировалось при помощи ви- приводная с карбидокремниевыми импеллерами; 3 - питатель; 4 - анод; 5 - деокамеры. Скорость растворения графитовый тигель; 6 - исследуемый определялась по разности конценрасплав; 7 - термопара ХА в стальном траций оксида алюминия до и почехле сле растворения.

Установлено, что при увеличении массы загружаемого глинозема до 10 грамм (0,20 г/см2) повышается скорость погружения и растворения глинозема (рис. 7).

При дальнейшем увеличении массы загружаемой глиноземной шихты происходит повышение площади образования корки. Увеличение температуры с 940 до 960 С приводит к а) интенсификации скорости погружения в 1,421,80 раза.

Величина и скорость теп ловых эффектов (рис. 8) характеризует процесс погружения глинозема и образования криолитоглиноземной корки соответственно. Формирование корки начинается при загрузке более 5 грамм, рост температурного отклика указывает на ее последующее погруб) жение. Глинозем практически пе- Рис. 7. Зависимость скорости погружения (а) и растворения (б) глинозема от рестает погружаться в расплав и его массы при различной температуре образует плотную корку на участэлектролита ке свыше 15 грамм.

С С С Рис.8. Температурный отклик при растворении глинозема Недостатком работы мощных электролизеров является неравномерность расходования анодов, а, следовательно, и распределения угольной пены в объеме электролита. Содержание углерода в канале питания ОА-300М1 составляет (1,36,4) % масс.

Выявлено, что в результате образования поверхностного слоя угольной пены затрудняется контакт электролита с глиноземом (рис. 9). Скорость погружения 50 % навески глинозема при увеличении содержания углерода в электролите с 1 до 5 % масс уменьшается в 5,7 раза (с 2,00 до 0,35 г/с), 80 % - в 3,1 раза (с 1,33 до 0,43 г/с).

В интервалах больших концентраций углерода ((530) % масс) скорость погружения 50 и 80% порции уменьшается в 3 раза с 0,33 до 0,11 г/с и с 0,42 до 0,14 г/с соответственно.

Изучение влияния содержания углерода на скорость растворения глинозема показало, что процесс растворения глинозема лимитируется подводом реагирующих веществ при содержании углерода более 1% масс. Повышение концентрации с 0 до 1 % масс оказывает интенсифицирующее действие на скорость растворения глинозема вследствие уменьшения температуры ликвидуса электролита.

Важным условием эффективного растворения глинозема является геометрия пространства, в котором заключен растворитель.

Мощные электролизеры имеют более узкий канал питания, в результате физико-химические условия растворения глинозема становятся более критичными.

Определена скорость погружения навески глинозема в электролит с площадью контакта 50,24 см2. Минимум функции расположен в районе значения 0,2 г/см2 и является началом процесса образования криолитоглиноземной корки (рис.10). Скорость погружения глинозема продолжает уменьшаться до значения 0,48 г/см2 (погружение полностью прекращается).

а) б) в) Рис.10. Поверхность электролита после растворения глинозема при значении массы на единицу поверхности (г/см3): а) 0,06; б) 0,20; в) 0,40 (увеличение поверхности образования корки от светлого к темному) Важным условием эффективного растворения является наличие рациональной высоты столба (уровня) электролита в зоне растворения. Уровень электролита определяет не только количество тепла, но также и гидродинамические особенности растворения.

Установлено, что скорость растворения глинозема прямо пропорционально зависит от уровня электролита. Свободное падение криолитоглиноземного агломерата в электролите увеличивает скорость массообмена между глиноземом и электролитом и приводит к уменьшению теплового и диффузионного пограничных слоев у поверхности агломерата. Уровень электролита менее 19 см не позволяет обеспечить полное растворение глинозема за время его погружения до границы электролит-металл.

Таким образом, установленные функциональные зависимости скорости растворения глинозема от технологических параметров высокоамперного электролиза позволяют интенсифицировать процесс питания за счет регулирования циклов подачи сырья относительно состава электролита и его распределения в электролите. Поддержание минимальных значений содержания углерода (до 1 % масс), уровня более (1920) см и температурного перегрева расплава, с учетом динамики жидкой фазы, снизит вероятность технологических нарушений работы мощных алюминиевых электролизеров.

2. Снижение удельного расхода электроэнергии и частоты анодных эффектов достигается при использовании систем автоматического питания электролизных ванн глиноземом с подачей дифференцированного сигнала на каждый дозатор, обеспечивающих эффективную загрузку и высокие скорости растворения глинозема в электролите.

Во время хранения и транспортировки глинозема внутри завода происходит изменение его свойств, что оказывает влияние на эффективность электролиза алюминия. Для определения влияния различных узлов доставки на свойства глинозема изучены структурные особенности частиц, определен вещественный и гранулометрический составы образцов глинозема (табл. 2).

Табл. 2. Гранулометрический состав образцов глинозема № Содержание фракций мкм, % обр. - 10 -30 -51 -67 -88 -116 -133 -152 +11 1,958 6,398 17,672 17,692 20,069 17,428 6,072 4,455 8,22 0,958 4,301 11,200 16,563 26,808 22,999 6,896 4,492 5,73 1,839 4,211 11,522 17,523 26,256 22,028 6,670 4,339 5,64 2,017 6,311 20,119 22,243 24,315 15,230 3,978 2,514 3,2Взаимодействие глинозема с соединениями фтора в условиях сухой газоочистки приводит к уменьшению как мелкой (-67 мкм), так и крупной (+152мкм) фракций. Образование на поверхности глинозема фтористых соединений и увеличение содержания влаги способствуют агломерации мелких частиц, однако, высокая интенсивность перемешивания создает условия для истирания крупной фракции (+ 152 мкм).

Дальнейшие этапы транспортирования фторированного глинозема приводят к увеличению мелочи и повышению содержания металлических примесей и влаги, которые остаются в глиноземе вплоть до дозирования в расплав. На выходе из бункера АПГ глинозем характеризуется менее разветвленной поверхностью, чем первичный и фторированный.

В результате контакта с отходящими электролизными газами в процессе сухой газоочистки в глиноземе повышается содержание фтора. Это приводит к изменению кинетических характеристик растворения фторированного глинозема в электролите (рис. 11).

С повышением содержания фтора в глиноземе скорость его растворения в стационарном электролите уменьшается, вследствие ухудшения смачиваемости. При повышении скорости движения электролита характеристика зависимости меняется - принимает вид квадратичной функции. Минимум находится в районе значений (0,51,0) % масс фтора. Восхо- дящий тренд обуславливается более быстрым обменом F- и O2- между анионами AlF63- (AlF4-) и оксидом алюминия вследствие локального избытка ионов фтора.

Глинозем, добавляемый в электролит алюминиевого электролизера, не тонет мгновенно ввиду его низкой насып- Рис. 11. Зависимость скорости расной плотности. Используемые творения глинозема от содержания в на заводах ОК РУСАЛ глинонем F земы обладают различной насыпной плотностью ((0,8 1,4) г/см3). На рис. 12 представлены зависимости скорости растворения образцов глинозема с различной насыпной плотностью (№№ 131 и 133).

Глинозем № 131 характеризуется меньшей насыпной плотностью и как следствие более длительным растворением в электролите. Уплотнение глинозема на 1,0 г/см3 приводит к повышению скорости его растворения на 0,4691 г/сек, вследствие более быстрого погружения.

Недопоступление глинозема в расплав электролизных ванн, частично связанно с зависаниями в бункерах АПГ.

Скорость истечения глинозема Рис. 12. Зависимости скоростей появляется комплексной характе- гружения и растворения металлургических глиноземов с различной ристикой его физико-химичес- насыпной плотностью ких свойств. При анализе образцов определены глинозе- мы, истекающие и зависающие в статических условиях.

В качестве способа интенсификации текучести предложен метод вибрации выпускного отверстия бункера АПГ. Определено, что условием максимизации скорости истечения для всех глиноземов является вибрационное воздействие частотой (150250) мин-(рис. 13).

Рис. 13. Зависимость времени истечения образцов глинозема от частоты вибрационного воздействия Загружаемый глинозем частично увлекается отходящими газами и уносится из реакционного пространства. Расход глинозема на алюминиевых заводах ОК РУСАЛ составляет (19151950) кг/т Al.

Принято считать, что теоретический расход глинозема составляет 1899 кг/т Al. Однако данное значение не в полной мере отражает величину потерь. Для ее более корректного определения предлагается использовать математическую модель, учитывающую взаимодействия примесей глинозема с компонентами электролита, в результате которых происходит накопление Al2O3; сортность выпускаемого алюминия-сырца; содержание Al2O3 в глиноземе.

Табл. 2. Потери глинозема на предприятиях ОК РУСАЛ в 2008 году при условии выпуска алюминия марки АЗавод ХАЗ УАЗ ИркАЗ КрАЗ ВАЗ Потери, кг/т Al 100,45 99,88 116,87 120,09 99,Из табл. 2 видно, что величина потерь глинозема составляет (5,06,2) % масс. Таким образом, корректировка циклов загрузки с учетом пылеобразования является необходимым условием повышения эффективности питания электролизеров.

Анализ физико-химических свойств уносов глиноземной пыли позволил определить некоторые особенности механизма пылеобразования.Образцы пыли отбирались на КрАЗе, ХАЗе и УАЗе с различных отметок корпуса и непосредственно вблизи загрузочных отверстий. Изучены их структурные особенности, определен вещественный и гранулометрический составы. Индекс пыления некондиционных глиноземов составил (0,0810,085) мг/г, что выше в 1,053,66 раза по сравнению с первичными (0,0230,077) мг/г.

Таким образом, при пылении глинозема в электролизном корпусе образуются некондиционные отложения сырья, которые характеризуются большим содержанием оксида алюминия ((7085)% масс) и мелкой фракции (- 45 мкм более 90%).

При нахождении на верхних ярусах корпуса глинозем сорбирует влагу, фториды и углерод. Глиноземная пыль характеризуется высоким содержанием фторидов. Проникновение фторидов в объем частиц глинозема зависит от кристаллофизических особенностей зерен (рис. 14). При высокой слоистости частиц, фториды равномерно распределяются как на поверхности, так и в объеме частиц. Преимущественно твердые фториды проникают в трещины и деформации зерен глинозема, а фторводород адсорбируется на поверхности с образованием фторида алюминия. В плотных зернах углерод распределяется равномерно, а соединения кремния покрывают зерна глинозема игольчатой пленкой.

Таким образом, глиноземы, используемые для питания высокоамперных алюминиевых электролизеров, должны обладать высокой прочностью и минимальным содержанием мелочи ((68) %), что позволит обеспечить поступление необходимого количества сырья в электролит и сократить его расход.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Определены функциональные зависимости влияния технологических параметров процесса электролиза на скорость растворения глинозема в криолитоглиноземном расплаве:

а) получены эмпирические зависимости, связывающие температуру ликвидуса электролита (КО 2,28, CaF2 - 5,5%, MgF2 - 1,5%, Al2O3 - 2%), скорость его движения и содержание в нем фторидов кальция, магния, лития;

б) установлена взаимосвязь между скоростями погружения и растворения глинозема различной массы в электролите в интервале температур (940960) С;

в) определены зависимости скорости погружения и растворения глинозема в электролите от содержания в нем углерода (при содержании углерода более 1 % масс происходит резкое уменьшение скорости растворения, поэтому на промышленных электролизерах рекомендуется устанавливать системы локального сжигания угольной пены в местах загрузки глинозема).

2. Установлено влияние изменения физико-химических свойств глинозема на скорость его растворения в криолитоглиноземных расплавах:

а) определено влияние содержания фтора и насыпной плотности глинозема на кинетику его растворения в стационарных и динамических условиях;

б) предложен способ вибрационного воздействия для интенсификации истечения глинозема из бункера АПГ.

3. Разработано программное обеспечение процесса автоматического питания глиноземом алюминиевых электролизеров для реализации технологии дискретного питания.

4. Предлагаемый проект использования интегрированных систем АПГ и управления процессом для высокоамперных электролизеров на базе пневматического оборудования Бош Рексрот является экономически целесообразным и позволяет сократить себестоимость алюминия-сырца на 283,1 руб/т Al. В условиях Богучанского алюминиевого завода срок окупаемости инвестиций составит менее 7 месяцев.

5. Разработанные новые технические решения и рекомендации приняты к использованию ОК РУСАЛ и ООО Бош Рексрот (акт внедрения интегрированных систем автоматического питания глиноземом № 538 от 26.12.2011 в Бош Рексрот; акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в Инженернотехнологическом центре ОК РУСАЛ).

Содержание диссертации отражено в следующих печатных работах:

1. Сизяков В.М. Состояние и перспективы развития производства алюминия / В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, А.А. Власов // Металлург, 2010. № 8. С. 2-6.

2. Бажин В.Ю. Синергетика промышленного электролиза / В.Ю. Бажин, А.А. Власов // Расплавы, 2010. № 6. С. 57-61.

3. Власов А.А. Снижение частоты анодных эффектов на Красноярском алюминиевом заводе / А.А. Власов, В.М. Сизяков, Д.А. Серегин, М.В. Молин, Р.Н. Идиятулин // Металлург, 2011. №8.

С. 77-81.

4. Бажин В.Ю. Управление анодным эффектом на алюминиевом электролизере / В.Ю. Бажин, А.А. Власов, А.В. Лупенков // Металлург, 2011. №5. С. 32-39.

5. Бажин В.Ю. Влияние состава электролита на потери фторидов в различных температурных условиях / В.Ю. Бажин, А.А. Власов, Д.Д. Шарипов, Р.Ю. Фещенко // Расплавы, 2011. №1.

С. 73-76.

6. Патент РФ №2010134131. Устройство для отбора проб / В.Ю. Бажин, В.М. Сизяков, В.Н. Бричкин, А.А. Власов, С.Ю. Полежаев. Опубл. 27.09.2011. Бюл. изобр.

7. Патент РФ 2011116273/10. Способ контроля технологических параметров // В.Ю. Бажин, А.А. Власов, А.В. Лупенков, Р.Ю. Фещенко. Опубл. 25.04.2011. Бюл. изобр.

8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011615779. Программа управления алюминиевым электролизером по граничным значениям технологических параметров.

П.А. Петров, И.Н. Белоглазов, В.Ю. Бажин, А.В. Лупенков, А.А. Власов. Опубл. 22.07.2011. Бюл. изобр.

9. Власов А.А. Современные технологии сверхмощного электролиза алюминия / А.А. Власов, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, С.Ю. Полежаев // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности. СПб, 2010. С. 356-357.

10. Власов А.А. Технологические особенности растворения глинозема в электролитах мощных алюминиевых электролизеров / А.А. Власов, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, Р.Ю. Фещенко, Д.Д. Шарипов // Цветные металлы - 2011. Красноярск: ООО Версо, 2011 г. С. 159-167.

11. Сизяков В.М. Химико-структурные изменения глиноземов в электролитическом производстве алюминия / В.М. Сизяков, А.А. Власов, В.Ю. Бажин, В.В. Гембицкий, И.М. Гембицкая// Цветные металлы - 2010. Красноярск: ООО Версо, 2010 г. С. 430-437.

12. Бажин В.Ю. Управление сверхмощным алюминиевым электролизером при помощи интеллектуальных систем АПГ / В.Ю. Бажин, А.В. Лупенков, А.А. Власов // Цветные металлы - 2010. Красноярск: ООО Версо, 2010 г. С. 523-529.

13. Власов А.А. Контроль выхода по току на современных алюминиевых электролизерах / А.А. Власов, В.Ю. Бажин, М.В. Молин // Энергетика в глобальном мире. Красноярск, 2010.

С. 129-130.

14. Сизяков В.М. Причины образования глиноземной пыли в электролитическом производстве алюминия / В.М. Сизяков, А.А. Власов, В.Ю. Бажин, В.В. Гембицкий // ТЕХГОРМЕТ-2010.

СПб, 2010. С. 67-68.

15. Власов А.А. Стабилизация состава электролита в высокоамперном алюминиевом электролизере / А.А. Власов, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, Д.Д. Шарипов, Р.Ю. Фещенко // Цветная металлургия, 2011. №5. С.14-19.

16. Власов А.А. Интегрированные системы АПГ для повышения эффективности электролитического производства алюминия / А.А. Власов, В.Ю. Бажин // Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов.

Иркутск, 2011. С.54-55.

17. Власов А.А. Повышение экономической эффективности производства первичного алюминия за счет снижения частоты анодных эффектов / А.А. Власов, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин // Трансферт технологий: от идеи к прибыли. Днепропетровск, 2010. С. 1213.

18. Власов А.А. Расход глинозема на алюминиевых заводах России / А.А. Власов, В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин // Современные технологии освоения минеральных ресурсов. Красноярск, 2010.

С. 322-327.

19. Сизяков В.М. Исследование механизмов взаимодействия глиноземной пыли с фторидами в электролитическом производстве алюминия / В.М. Сизяков, А.А. Власов, Н.В. Грачев, В.Ю. Бажин, В.В. Гембицкий // Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов. Москва, 2010. С. 65-67.

20. Vlasov A.A. The modern systems of automatic alumina feeding for aluminium production / A.A. Vlasov, V.M. Sizyakov, V.Yu. Bazhin // Scientific Reports of Resource Issues. Vol. 3.Germani, 2010. Р. 331-332.

21. Sizyakov V.M. Status and prospects for growth of the aluminium industry /V.M. Sizyakov, V.Yu. Bazhin, A.A. Vlasov// Metallurgist, 2010. Vol. 54, Issue 7. Р. 409-414.

22. Bazhin V.Yu. Controlling the anode effect in an aluminum reduction cell / V.Yu. Bazhin, A.A. Vlasov, A.V. Lupenkov // Metallurgist, 2011. Vol. 55, Issue 5. Р. 463-468.

23. Vlasov A.A. Reducing the incidence of anode effects at the Krasnoyarsk aluminum plant / A.A. Vlasov, V.M. Sizyakov, D.A. Seregin, M.V. Molin, R.N. Idiyatulin // Metallurgist, 2011.Vol. 55, Issue 7. P. 601-606.

КГШ КГШ Анод Анод КО=2,[Al2O3]=1,95 [CaF2]=4,77[MgF2]=0,КО=2,[Al2O3]=1,40 [CaF2]=4,83 [MgF2]=0,ЭЛЕКТРОЛИТ КО=2,[Al2O3]=0,93 [CaF2]=4,99 [MgF2]=0,глинозем АЛЮМИНИЙ КО=2,[Al2O3]=6,67 [CaF2]=4,53 [MgF2]=0,Al2O3+Электролит Рис. 4. Усредненный состав электролита ОА 300М1 по высоте (% масс) С F Na Al Рис.9. Микрофотографии поверхности электролита при содержании углерода, % масс: а) 3,9; б) 15,Рис.14.Микроструктура глинозема, содержащего соединения фтора: а) спектры микроанализа; б) структура частицы покрытой пленкой SiF    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям