способ растворения глинозема в электролите

Формула изобретения

Способ введения глинозема в электролит, включающий растворение глинозема в электролите работающих электролизеров, восстановление ионов Al³⁺ на катоде с образованием жидкого алюминия, образование газообразных СО и CO₂ при взаимодействии ионов О^2- с углеродом угольного электрода, отличающийся тем, что глинозем (Al₂O₃) перед поступлением в электролизер в сухом виде подвергают механохимической активации в планетарной мельнице периодического действия в течение от 5 до 300 с при соотношении масс активируемого материала и мелющих тел 1:100.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству алюминия.

Известен электролитический способ производства алюминия, наиболее широко применяемый в промышленности (Беляев А.И. Металлургия легких металлов. М.: Металлургиздат, 1962, с.202-285), основным сырьем для которого является глинозем. Способ включает растворение глинозема (Al₂О₃) в электролите. Ионы Al³⁺ восстанавливаются на катоде, образуя жидкий металл. Ионы О^2- окисляются на угольном аноде с образованием СО и CO₂. Нерастворенный глинозем в виде осадка может выпадать на дно электролизера. Так как этот спосо6, несмотря на свою стабильность и относительную дешевизну, тем не менее связан со значительным расходом электроэнергии, поиск путей снижения ее затрат является актуальным.

Одним из недостатков известного способа является недостаточная реакционная способность глинозема, поступающего на электролиз. Нерастворенный глинозем может покрывать подину электролизера, что затрудняет процесс, приводя к дополнительным затратам энергии и снижению выхода по току, т.е. к снижению производительности электролизера.

Задачей изобретения является интенсификация электролиза алюминия и снижение энергозатрат.

Техническое решение по предлагаемому изобретению, связанное с повышением реакционной способности глинозема в электролите, включает его механохимическую активацию, связанную с подведением к глинозему энергии, достаточной для того, чтобы частично разрушить его кристаллическую структуру.

Глинозем активировали в сухом режиме в планетарной мельнице марки М-3 конструкции С.И.Голосова - в дальнейшем М-3 (Механохимические явления при сверхтонком измельчении. - Новосибирск, 1971. - С.23-40 (Сборник научных трудов ИГиГ СО АН СССР) в течение 5; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 120; 180; 240 и 300 с. Масса активируемого материала составляла 10 г, мелющих тел из стальной шарикоподшипниковой дроби диаметром 3 мм - 1000 г (т.е. в соотношении 1:100).

Рентгеновский анализ (РФА) выполняли на рентгеновском дифрактометре марки «ДРОН-3» на Cu-излучении при напряжении 31 mV и силе тока 31 mA со скоростью записи на диаграммной ленте 2 градуса в минуту. Рентгенограммы рассчитывали по Гиллеру Я.Л. (Таблицы межплоскостных расстояний. - М.: Недра, 1966, - Т.2. - 360 с. (никелевый, медный, молибденовый и серебряный аноды), а расшифровывали по ASTM (Diffraction date cards and alphabetical and grouped numerical index of X-ray diffraction date. - Philadelphia. 1946-1985).

Взаимодействие глинозема с электролитом промышленных электролизеров (при криолитовом отношении 2,32) исследовали в лабораторной муфельной печи при температуре 960-980°С, являющейся рабочей в технологии получения алюминия. Криолитовое отношение определяли с использованием стандартных образцов предприятия (СОП) и ОСО 010-87 (Юшкова О.В. Проблема создания ОСО для контроля электролита алюминиевых электролизеров // Алюминий Сибири, Красноярск, 2000. - С.222).

Сравнительное поведение активированного и неактивированного глинозема при свободном падении через воронку показано на фотографиях (фиг.1).

Опыты по исследованию взаимодействия глинозема с электролитом промышленного электролизера выполняли в специальных платиновых тиглях. Съемку процесса высыпания глинозема и его растворения в электролите выполняли посредством цифрового фотоаппарата.

Пример осуществления. Электролит, отобранный из промышленного электролизера с криолитовым отношением 2,32, после охлаждения измельчали. 25-граммовую навеску электролита расплавляли до рабочей температуры электролизера 960-980°С в лабораторной муфельной печи.

В платиновые тигли №1 и 2 добавляли по 1 г (или по 4%) исходного (неактивированного) глинозема, а в платиновые тигли №3 и 4 - по 1 г глинозема, активированнго 10 с в М-3 и подвергали растворению в течение 5 и 11 мин. В другие платиновые тигли добавляли по 1 г глинозема, активированного в этой же мельнице в течение 5; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 120; 180; 240 и 300 с.

Результаты

Рентгенографические превращения. По результатам РФА исходная проба глинозема состоит из трех модификаций Al₂О ₃ - тетрагональной, преобладающей (ASTM, 46-1131) с межплоскостными расстояниями (d), равными 0,1391; 0,1396; 0,1987 и 0,273 нм. Рефлексы на дифрактограмме широкие. На них накладываются линии других фаз: кубической модификации (ASTM, 29-63 и 29-1486) с d=0,140; 0,198 и 0,239 нм и ромбоэдрической (корунда - ASTM, 10-173) с основными рефлексами с d=0,209; 0,255 и 0,160 нм.

После обработки пробы в М-3 в интервале времени от 5 до 300 с интенсивность всех рефлексов на дифрактограмме стала несколько меньшей. Граница наложения кубической модификации на тетрагональную сгладилась.

О растворении активированного глинозема в электролите. Обращает внимание существенное визуальное отличие внешнего вида глинозема, активированного в планетарной мельнице, от исходного (фиг.1). Действительно, если при высыпании неактивированного продукта его порошкообразная масса, состоящая из одинаковых по геометрии частиц, формируется в строгой конусообразной форме, то этого нельзя сказать об активированном материале, представляющем из себя сгранулированную и более рыхлую массу, разбросанную по значительно большей площади (падая, при соприкосновении частицы отскакивают в разные стороны).

По-разному проявляют себя сравниваемые фракции и в расплаве электролита при взаимодействии с ним от 5 до 11 мин при температуре 960-980°С (фиг.2). Заметная часть неактивированного глинозема в нерастворенном виде все еще остается на дне платинового тигля, в то время как активированный в М-3 в течение всего 10 с практически полностью растворяется за первые 5 мин.

Использование предлагаемого способа механохимической подготовки глинозема перед его растворением и последующем процессе электролиза по сравнению с существующим позволяет:

1. повысить полноту и скорость его растворения в электролите;

2. производительнее использовать электролизеры, так как за одно и то же время можно получить большее количество металла (за счет повышения выхода по току);

3. уменьшить падение напряжения в нижней части электролизера;

4. за счет исключения осадка в виде нерастворенного глинозема на подине электролизера увеличить срок службы последнего.

Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что механохимическая активация глинозема даже в течение незначительного времени, например в течение 10 с, приводит его в повышенное реакционное состояние, что проявляется в аморфизации его кристаллической структуры, самопроизвольном агрегировании активированных частиц за счет повышенной поверхностной активности, в повышении более чем в 2 раза скорости растворения в электролите при температуре 960-980°С, принятой в технологии электролиза алюминия для конкретного состава электролита.