Электролит для получения алюминия

Электролит для получения алюминия

Реферат

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава.

Базовым компонентом криолит-глиноземных расплавленных электролитов является натриевый криолит (Na₃AlF₆), который служит растворителем для глинозема (Al₂О₃), который, в свою очередь, и подвергается электрохимическому разложению с выделением алюминия на катоде. Для улучшения важных для технологии характеристик электролита в него необходимо ввести фторид алюминия (AlF₃) и модифицирующие добавки.

Известен электролит для получения алюминия [1], состоящий, мас.%:

фторид кальция - 6-10;

фторид магния - 0,5-1,5;

фторид калия - 0,5-1,5;

натриевый криолит - остальное.

Недостаток известного состава заключается в том, что большое содержание фторида кальция, повышает плотность и вязкость электролита и понижает его электропроводность, что снижает эффективность процесса электролиза. По указанным причинам и прежде всего из-за низкой электропроводности этот электролит непригоден для электролиза при повышенной токовой нагрузке.

Также известен [2] низкотемпературный расплав n·NaF·AlF₃+LiF (6 мас.%) с высокой электропроводностью (˜2,5 См·см^-1 при 750°С), но при этом растворимость глинозема в нем составила ˜1,2 мас.%, что совершенно неприемлемо для промышленного использования данного электролита. Известен электролит для электролиза глинозема [3], состоящий из смеси натриевого криолита, литиевого криолита и калиевого криолита, мас.%:

Литиевый криолит - 17,5

Калиевый криолит - 5

Натриевый криолит - остальное.

Недостатком известного электролита является наличие в его составе большого количества литийсодержащего соединения, т.к. литий, переходящий в товарный металл, является нежелательной примесью и возникает дополнительная операция - рафинирование товарного металла от лития. Кроме того, высокая стоимость литийсодержащих соединений делает их использование в больших количествах в качестве добавок в электролит в промышленном масштабе малоперспективным.

Известен электролит для получения алюминия [4], состоящий, мас.%:

фторид лития - 0,5-1,5;

фторид магния - 0-2,0;

фторид кальция - 3,0-5,0;

фторид алюминия - 8,0-12,0;

глинозем - 1,0-6,0;

натриевый криолит - остальное.

Недостатком известного электролита является относительно невысокие электропроводность (2,1 Ом^-1·см) и растворимость в нем глинозема (6,32 мас.%).

По назначению и наличию общих существенных признаков данное решение принято в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого решения является повышение технико-экономических показателей, интенсификация процесса электролитического получения алюминия путем увеличения силы тока на электролизере.

Техническим результатом является создание электролита, обладающего повышенной электропроводностью и высокими растворимостью и скоростью растворения в нем глинозема, применение электролита заявляемого состава позволяет проводить процесс электролиза при повышенной плотности тока.

Указанная задача достигается тем, что в электролит для получения алюминия, содержащий натриевый криолит, фторид кальция, фторид магния, фторид лития, фторид алюминия и глинозем, согласно предлагаемому решению дополнительно содержит фторид калия при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

фторид калия - 4,0-7,0;

фторид лития - 1,0-3,0;

фторид кальция - 4,0-5,0;

фторид магния - 0,5-1,5;

фторид алюминия - 4,0-6,0;

глинозем - 2,0-4,0;

натриевый криолит - остальное.

Нижний предел содержания фторида алюминия (4,0 мас.%) обусловлен необходимостью снижения растворимости алюминия и натрия в электролите и повышения межфазного натяжения на границе металл-электролит для стабильности поверхности металла. Верхний предел содержания фторида алюминия ограничен 6,0 мас.% для сохранения высокой электропроводности электролита и растворимости в нем глинозема.

Нижний предел содержания фторида калия (4,0 мас.%) обусловлен необходимостью поддержания высокой растворимости глинозема в электролите. Верхний предел содержания фторида калия ограничен 7,0 мас.% с целью исключения негативного воздействия калия на углеграфитовые подовые блоки.

Нижний предел содержания фторида лития (1,0 мас.%) обусловлен необходимостью повышения электропроводности электролита. Верхний предел содержания фторида лития ограничен 3,0 мас.% из-за необходимости сохранения высокой растворимости глинозема в электролите и для сохранения чистоты производимого алюминия.

Нижний предел содержания фторида кальция (4,0 мас.%) связан с необходимостью снижения растворимости алюминия и натрия в электролите, упругости пара над расплавом, повышения эффективности выгорания угольной пены. Верхний предел содержания фторида кальция ограничен 4,0 мас.% для сохранения высокой электропроводности электролита и растворимости глинозема.

Нижний предел содержания фторида магния (0,5 мас.%) связан с необходимостью снижения растворимости алюминия и натрия в электролите и повышения эффективности выгорания угольной пены. Верхний предел содержания фторида магния ограничен 1,5 мас.% для сохранения высокой электропроводности электролита и растворимости глинозема.

Нижний предел содержания глинозема в электролите (2,0 мас.%) обусловлен необходимостью сохранения достаточной концентрации Al₂O₃ для устойчивого ведения электролиза криолит-глиноземного расплава (без возникновения анодных эффектов). Верхний предел содержания глинозема в электролите ограничен 4,0 мас.% для сохранения высокой скорости растворения глинозема в электролите, то есть для большей технологичности процесса электролиза.

Отличительные признаки предлагаемого решения от прототипа позволяют сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

В процессе поиска по патентной и научно-технической литературе не выявлено технических решений, характеризующихся идентичными или эквивалентными признаками с предлагаемым решением, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

Соотношение компонентов заявляемого электролита выбрано по результатам лабораторных испытаний. Сравнение физико-химических свойств заявляемого электролита и известного состава прототипа изобретения представлены в таблице. Экспериментальные данные приведены для температуры 955°С и концентрации глинозема 2,5 мас.%.

Таблица.
Свойства электролита	Состав прототипа	Предлагаемый состав	Изменения в %
Температура ликвидуса, °С	945	945	0
Электропроводность, Ом-1·см-1 (для Т=955°С и )	2,10	2,60	+19,23
Растворимость глинозема, мас.% (для Т=955°С)	6,32	8,70	+27,36
Напряжение на ячейке, В (для Т=955°С и )	4,15	3,73	-10,12

Из таблицы следует, что предлагаемый состав электролита для получения алюминия обладает электропроводностью на 19,23% выше, чем состав электролита прототипа. Растворимость глинозема в предлагаемом составе электролита на 27,36% выше, чем растворимость глинозема в электролите прототипа. Все это приводит к тому, что напряжение на ячейке с использованием предлагаемого состава электролита на 10,12% ниже напряжения на ячейке с электролитом прототипа.

Проведение процесса электролиза на предлагаемом составе электролита для получения алюминия позволяет повысить его технико-экономические показатели, увеличить срок службы электролизеров и улучшить экологическую обстановку. Интенсификация процесса электролиза связана с увеличением силы тока на электролизере. Применение электролитов с повышенной электропроводностью, высокой растворимостью и скоростью растворения глинозема позволяет увеличить силу тока на электролизере без увеличения его геометрических размеров.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР 979528, С 25 С 3/18, 1982.

2. Е.А.Панков, В.В.Бурнакин, П.В.Поляков, М.Л.Блюштейн, С.А.Панова. Получение алюминия низкотемпературным (700-800°С) электролизом оксидно-фторидных расплавов. // Изв. ВУЗов, Цветная металлургия, 1991, №1, с.65-77.

3. Патент Индии 68751, С 7 В, 1956.

4. US Patent 5114545 Alcorn, et al., Electrolyte chemistry for improved performance in modern industrial alumina reduction cells, 19.05.1992.

Электролит для получения алюминия, содержащий натриевый криолит, фторид кальция, фторид магния, фторид лития, фторид алюминия и глинозем, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фторид калия	4,0-7,0
Фторид лития	1,0-3,0
Фторид кальция	4,0-5,0
Фторид магния	0,5-1,5
Фторид алюминия	4,0-6,0
Глинозем	2,0-4,0
Натриевый криолит	Остальное