Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

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.