Разработка основ теории и технологии нового способа переработки анодных осадков производства алюминия высокой чистоты

Алюминий — этот товар, который не продается в розницу. Цена на него, как и на любой другой биржевой товар, определяется соотношением «спрос-предложение». В связи с этим, увеличение прибыли для металлургического предприятия напрямую связано с уменьшением затрат на производство — снижением его себестоимости. Себестоимость продукции является одним из важных, обобщающих показателей деятельности предприятия, отражающих эффективность использования ресурсов, результата внедрения новой техники и прогрессивных технологийсовершенствование организации труда, производства.

Основным способом получения алюминия высокой чистоты (АВЧ) является электролитическое рафинирование по трехслойному методу. Рафинированный алюминий служит катодом. Электролитом является расплавленная смесь фторида алюминия с фторидами и хлоридами щелочных и щелочноземельных металлов. В качестве исходного анодного сплава при электролитическом рафинировании, как правило, применяется сплав алюминия с 25−35% меди. Этот сплав готовится путем сплавления первичного алюминия с необходимым количеством электролитической меди, с учетом присутствующих в алюминии примесей железа и кремния. В исходном анодном сплаве суммарное содержание этих примесей составляет не менее 0,5%. В процессе рафинирования в анодный сплав регулярно добавляется первичный алюминий. Поэтому, по мере работы электролизера анодный сплав насыщается железом и кремнием. Начиная с определенного их содержания, идет самоочищение сплава путем выделения нерастворимых интерметаллидов (осадков) в загрузочном кармане, как в наиболее холодной части электролизера. На одну тонну получаемого металла извлекают от 60 до 80 кг анодных осадков. Наряду с железом (7−12%) и кремнием (3−7%) в осадках содержится 25−30% меди и около 50% алюминия.

При работе одного корпуса АВЧ в год образуется 500−650 тонн анодных осадков, что значительно ухудшает технико-экономические показатели процесса рафинирования, влекущие за собой увеличение себестоимости продукции.

Поэтому представляет значительный интерес разработка научных и технологических основ экологически безопасной и экономически эффективной комплексной переработки анодных осадков и ее аппаратурно-технологическое * оформление, что и является целью данной работы.

1 Обзор литературы.

5.6 Выводы.

1) На зависимости выхода по току от плотности тока присутствует максимум как на катодной, так и на анодной кривой. Он наблюдается при плотности тока 0,84 А/см и составляет 82% на катоде и 110% на аноде. Катодный процесс осложняется двумя явлениями: растворением алюминия с образованием субъионов А1+ и совместным разрядом ионов алюминия и натрия. Чем меньше плотность тока, тем больше образуется субионов алюминия. И, наоборот, чем больше плотность тока, тем больше тока тратиться на выделения натрия и бария. Этим объясняется появление максимума на катодной кривой.

2) При увеличении содержания А1Р3 в электролите выход по току растет, асимптотически приближаясь к предельному значению. В катодном процессе оно приблизительно составляет 70%, а в анодном — 100%. Влияние состава электролита проявляется, в растворении алюминия в электролите с образованием А1+ и кинетикой подвода катионов А13+ к катоду. В расплавах, содержащих криолит, с увеличением криолитового отношения выход по току падает, вследствие снижения насыщенности электролита катионами алюминия.

3) Оптимальное междуполюсное расстояние составляет 5 см. Катодный выход по току — 81%, анодный — 109%. Однако конечные данные относятся к лабораторным условиям и, как показывает практика, не могут переноситься в промышленные условия. С увеличением междуполюсного расстояния снижается взаимодействие анодного и катодного продуктов, что приводит к росту выхода по току. В промышленном электролизере междуполюсное расстояние будет определяться исходя из теплового баланса, однако необходимо учесть, что значение МПР должно превышать 5 см.

4) Проверка найденных оптимальных параметров ведения процесса переработки анодных осадков с получением на катоде алюминиево-кремниевого сплава подтвердила правильность полученных результатов. Расчет реального выхода по току осуществлен по предложенной формуле, учитывающей специфику электродных процессов. Величина реального выхода по току составила: на катоде -92%, на аноде — 96%.

6 Проверка технологии комплексной переработки анодных осадков на лабораторной и опытно-промышленной установках.

Электролитическую переработку анодных осадков и распределение компонентов между анодным и катодным продуктами осуществляли в ячейке, представленной на рисунке 33. Для приготовления электролита применялись просушенные соли КаБ и АШ3 марки «ЧДА» и ВаР2 марки «ХЧ». Шихта во всех опытах содержала ВаР2 35% (мае.), остальное ЫаР и АШ3 с мольным соотношением 2,0. Температура, в зависимости от целей опыта, находилась от 950 °C до 1000 °C. Ток задавался от выпрямителя и контролировался при помощи амперметра. Напряжение на ячейке измеряли с помощью вольтметра, а обратную ЭДС используя осциллограф.

Состав анодного осадка КрАЗа в % (мае.): Си-30,6- А1−51,5- Ре-12,4 и 81−4,75.

На рисунке 37 показано изменение напряжения и обратной ЭДС в течении опыта. В первом опыте плотность тока составляла 0,8 А/см2, во втором — 0,5 А/см2. Температура в обоих случаях была равна 950 °C, МПР — 7 см. Из рисунка следует, что по истечении установленного времени (200−250 мин), как Е0бР, так и ив увеличиваются на 0,6−0,7 В. За это время составы анодного осадка в первом и втором опытах становятся практически одинаковыми.

1 опыт: Си-43,85%, Ре-17,76%, А1−30,46%, 81−5,74%.

2 опыт: Си-43,23%, Ре-17,49%, А1−31,40%, 81−5,66%.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 т, ч 5,00 —1=0,8 А/см2 —-1=0,5 А/см2.

1 — зависимость обратного ЭДС от времени- 2 — зависимость общего напряжения от времени.

Рисунок 37 — Зависимость обратного ЭДС и общего на пяжения на ячейке от времени.

Обращает на себя внимание тот факт, что содержание алюминия в анодном осадке при этом уменьшилось почти в 2 раза. Спустя 4 часа электролиза, второй опыт был остановлен, а первый продолжался еще около часа. В таблице 14 приведен состав по основным компонентам полученного катодного металла в обоих опытах.

Заключение

.

Работа посвящена разработке теории и технологии нового способа комплексной переработки анодных осадков рафинирования алюминия.

В работе рассмотрены следующие вопросы:

1. Произведен анализ существующих способов переработки анодных осадков, который показал, что до настоящего времени не найдено эффективной технологии их переработки, обеспечивающей комплексное извлечение ценных компонентов и высокой рентабельности производства.

2. Изучена плавкость отдельных элементов системы А1-Си-Ре-81, составляющих анодные осадки. Выяснено, что извлечение алюминия из анодных осадков приводит к повышению температуры ликвидуса всей системы вплоть до 1110 °C при полном отсутствии алюминия. Увеличение кремния в анодных осадках до 18% приводит к резкому повышению температуры плавления сплава до 1290 °C.

3. Исследован состав и физико-химические свойства электролита. Электролит для переработки анодных осадков находится в системе состоящей из фторидов натрия, алюминия и бария. Исследована плавкость солевой системы ИаР-АШз-ВаРг, построена объемная поверхность и проекция ликвидуса этой системы. Выбрана область состава электролита (25+45% ВаР2, остальное №Р и АШ3 с КО = 1,0+3,5) и исследованы его физико-химические свойства: плавкость, плотность и электропроводность.

4. Исследованы электродные процессы. Методом снятия поляризационных кривых установлено, что в анодном сплаве при увеличении плотности тока электрохимические реакции протекают в следующей последовательности: повышение валентности алюминия с А1+ до А13+, совместно с перзарядом А1+ до А13+ происходит анодное растворение алюминия с образованием ионов А13+, совместная ионизация кремния и алюминия из анодного сплава. На катоде, в присутствии металлического алюминия, устанавливается усредненный потенциал вплоть до начала совместного выделения алюминия и натрия. Экспериментальные данные по растворимости алюминия во фторидных расплавах колеблется от 1,0 до 1,2%.

5. Исследовано распределение компонентов между катодным и анодным продуктами. Процесс электролиза анодных осадков по трехслойному способу проводится с разделением исходного сырья на два продукта путем выделения на катоде алюминиево-кремниевого сплава, тем самым, в анодном сплаве остается сплав на основе меди. При этом начало совместного разряда алюминия и кремния на катоде происходит через определенное время в результате обеднения анодного сплава алюминием и насыщения прианодного пространства атомами кремния.

6. Исследованы влияния различных технологический параметров процесса электролиза на выход по току. Повышение плотности тока до 0,84 А/см2 приводит к максимальному значению выхода по току, связанному с дальнейшим выделением натрия на катоде. При увеличении содержания в электролите фторида алюминия выход по току растет, асимптотически приближаясь к некоторому предельному значению. Для достижения максимального значения выхода по току междуполюсное расстояние должно превышать 5 см. В работе предложена формула для определения реального выхода по току, учитывающая кинетику электродных процессов.

7. Произведена проверка технологии комплексной переработки анодных осадков на опытно-лабораторной и опытно-промышленной установках. В результате переработки анодных осадков ОАО «КрАЗ» получили на катоде сплав АК-7ч, на аноде образовалась бронза марки БрАЖ9−4. Опытно-промышленная проверка технологии осуществлена на ОАО «ПЗЦМ» с выделением 18,6 кг алюминиево-кремниевого сплава. Выход по току, рассчитанный по трехвалентному алюминию, до выделения кремния в электролит составил 89%.

8. Произведена разработка аппаратурно-технологического оформления для промышленной переработки анодных осадков. Для электролитической переработки анодных осадков предложено использование модернизированного электролизера производства АВЧ с изменением футеровки и катодного устройства. Предложена методика расчета электрического и теплового балансов электролизера. Дано описание технологического процесса.

9. Представлена экономическая оценка внедрения разработанной технологии переработки анодных осадков.

В результате внедрения разработанной технологии в общем процессе производства АВЧ количество анодных осадков снизится с 60−80 кг до 4−7 кг на тонну производимого АВЧ. При этом вторичными анодными осадками, являющимися анодными осадками процесса переработки, будут интерметаллиды, основу которых составят железо и кремний — основные примеси АВЧ.

Результаты проведенной работы запатентованы /56, 57/.