Укрывной материал алюминиевых электролизеров

Введение

Перед отечественным производством алюминия стоит целый ряд сложных технологических вопросов, одним из которых является обоснование параметров укрывного материала анодного массива электролизера при различных технологических параметрах процесса.

Основными функциями укрывных материалов являются:

-       защита углеродного анода от окисления воздухом;

-       теплоизоляция анодного массива;

-       улавливание летучих фторидов;

-       формирование рабочего пространства и питание ванны;

-       стабилизация уровня электролита.

В работе [1] проведено исследование тепловых балансов для различных типов электролизеров, однако, полностью не решены вопросы тепловых потерь. Повышение силы тока невозможно без термохимической стабилизации укрывного материала относительно конструкции анодного массива.

Потери тепла через укрывные материалы составляют около 11 %, до 48 % потерь от общего числа приходится на верхнюю часть электролизера с обожженными анодами [2]. Высота засыпки ограничивает потери тепла. При большом слое укрывного материала (более 180 мм) появляются локальные перегревы, в результате чего корка плавится и обваливается в электролит. Выбор рациональной высоты корки должен соответствовать тепловому балансу электролизера, а показателем качества является снижение выбросов с поверхности электролита.

До 60-х годов прошлого века укрывной материал исполнял роль кратковременного укрытия и источника сырья. В качестве материала засыпки использовался металлургический глинозем. Для питания электролизера пробивалась криолит-глиноземная корка, и находящийся на ней глинозем вместе с коркой погружался в электролит [3].

В период с 60-х до начала 90-х годов укрывной материал начинает исполнять больше роль изолирующего укрытия. Связано это с внедрением технологии балочного, а затем и точечного питания. В качестве компонентов корки начинают использовать не только обычный глинозем, но и пришедший после сухой газоочистки (фторированный). В некоторой степени это поспособствовало уплотнению корки, однако при этом увеличились потери за счет пыления мелких фракций глинозема и испарения влаги. Технологические операции по обслуживанию корки осуществлялись с помощью монорельсовой машины (МНР), представленной на рисунке 1, которая совмещает прорубку корки и подсыпку новой порции глинозема

Рис. 1. Монорельсовая машина (МНР)

В период активного внедрения технологии мощного электролиза (сила тока более 250 кА), начиная с 1990, актуальной задачей становится максимальное сокращение величины выбросов фтористых веществ в рабочую зону, для этого используются системы точечного автоматического питания и более плотные и прочные укрывные материалы [4]. Прорубку укрытия осуществляет МПТ или МПК (рисунок 2).

Рис. 2. Прорубка корки в торцах ванны

Повышение эффективности улавливания фторидов в системе газоочистки и доли фторированного глинозема в сырье приводит к увеличению уровня электролита в ваннах. Многие предприятия используют оборотный измельченный электролит в качестве дополнительного компонента укрывного материала. Отработанный электролит имеет более высокое содержание фтористого алюминия, чем основная масса расплавленного электролита, и при застывании образует смесь криолита и хиолита. В результате глиноземные частицы связываются в более плотную монолитную корку с высокой прочностью за счет расплавляющихся фторидов. Однако ее применение связано с некоторыми технологическими проблемами:

-       повышение износа пневмотрасс и аэрожелобов;

-       чрезмерно высокая прочность;

-       неравномерное формирование корки, в связи с отсутствием рациональной рецептуры укрытия (состав, крупность материала).

Недостатком использования оборотного электролита также является высокое содержание железа и кремния, которое обусловлено попаданием частиц от используемого инвентаря, что приводит к снижению чистоты получаемого алюминия [5].

На сегодняшний день вопрос оптимального состава укрывного материала и его использования в технологической системе современных производств остается открытым. Очевидно, что современные корки должны обладать повышенной прочностью и плотностью, что предотвратит их преждевременное разрушение и попадание вредных газов в атмосферу. Достигнув этого можно отказаться от использования металлических укрытий, формирующих газосборный колокол, что позволит сократить издержки за счет экономии материалов и рабочего времени на их удаление и установку. Однако при этом необходимо достичь приемлемых показателей скорости разрушения и растворения корки в период проведения технологической обработки электролизера, исключить загрязнение примесями катодного алюминия.

Литература:

1.                  V. Gusberti, D. S. Severo, B. J. Welch, M. Skyllas-Kazacos, “Modeling the mass and energy balance of different aluminium smelting cell technologies”, Light Metals 2012, рр. 929–934.

2.                  X. L. Liu, M. P. Taylor, S. F. George, “Crust Formation and Deterioration in Industrial Cells”, Light Metals 1992, Р. 489–494.

3.                  H.Wijayaratne, M.Hyland, M.Taylor, A.Grama, T.Groutso, “Effects of composition and granulometry on thermal conductivity of anode cover materials”, Light Metals 2011, Р. 399–404.

4.                  L. N. Less, “The Crusting Behaviour of Smelter Aluminas”, Met. Trans. B, 8 (1977), Р. 219–225.

5.                  T. Apelt, “Thermal Conductivity of Granular Anode Cover Materials from Industrial Aluminium Reduction Cells”, BE Undergraduate Thesis, Dept. of Chemical Engineering, University of Queensland, Oct. 1992.