ИТС 11-2019 Производство алюминия

     1.2.1 Основное сырье при производстве первичного алюминия

Основным сырьем при производстве первичного алюминия являются:

- глинозем ();

- угольная анодная масса (предварительно обожженные угольные блоки);

- фтористые соли, в том числе криолит искусственный технический ("свежий криолит"); фторид алюминия; криолит вторичный (флотационный, получаемый при флотации извлеченной из электролизера угольной пены, и регенерационный, получаемый при химической переработке растворов после их использования для орошения газоочистных аппаратов либо пыли и шлама газоочистки и других твердых отходов).

Глинозем () представляет собой порошкообразный материал белого цвета с крупностью отдельных частиц в основном от 10 до 120 мкм. Фракционный состав глинозема зависит от свойств гидрата, условий его прокалки и других факторов и на практике колеблется в достаточно широких пределах. Температура плавления - 2050°С. Глинозем образует несколько полиморфных разновидностей фаз, имеющих одинаковый химический состав, но различное строение кристаллической решетки и, следовательно, различные физические свойства. Глинозем, используемый для производства алюминия, имеет следующие модификации: -фракция (корунд) - наиболее устойчивая форма оксида алюминия, получаемая при прокаливании гидрооксида алюминия при высокой температуре (1050-1200°С), обладает высокой твердостью, практически не гигроскопична, имеет малую удельную поверхность; переходные модификации , , Y, которые образуются при прокаливании гидроксида алюминия при температуре 500-1000°С. В отличие от -модификации, они имеют весьма развитую удельную поверхность, хорошо поглощают фторид водорода и воду. При дальнейшем их прокаливании при температуре 1050-1200°С они переходят в -модификацию.

Насыпная плотность глинозема - 0,9-1,1 г/см. Угол естественного откоса - 37,5°.

Для получения алюминия необходимой чистоты в глиноземе ограничивается содержание примесей оксидов железа и кремния. Жестко лимитируется содержание примесей оксидов титана, ванадия, хрома и марганца, влияющих на электропроводность получаемого металла, пятиокиси фосфора, которая отрицательно влияет на протекание технологического процесса.

Важное значение имеет ограничение содержания щелочных компонентов (едких щелочей, алюминатов и алюмосиликатов щелочных металлов), условно пересчитываемых при характеристике глинозема на содержание .

Глинозем, выпускаемый отечественной промышленностью, должен содержать, %: не более 0,02-0,05 ; 0,02-0,08 ; 0,01-0,03 ; 0,01-0,03 ZnO; .

Массовая доля щелочных компонентов - не более 0,4% - 0,5%, а потери при прокаливании - не выше 0,8%. При большом содержании мелких фракций (~40 мкм до 60%) глинозем называют "мучнистым".

Разные марки глинозема, а также его крупность и фазовый состав в значительной мере определяются используемым сырьем и способом производства.

Глинозем "песчаного" типа характеризуется меньшим содержанием -фракции (25%), более крупным и однородным гранулометрическим составом. Такой глинозем обладает повышенной скоростью растворения в электролите, меньше пылит и отличается большей сорбционной способностью к фториду водорода. По содержанию вредных примесей он характеризуется столь же жесткими критериями, как и отечественный глинозем.

Отечественные алюминиевые заводы могут использовать в собственном производстве глинозем как "мучнистого", так и "песчаного" типа.

Трифторид алюминия технический () представляет собой порошкообразный материал белого, розового или серого цвета крупностью до 150-200 мкм. В ряде случаев содержание фракций ~100 мкм составляет 100%, иногда весь продукт представлен фракцией ~40 мкм.

При нагревании фторид алюминия возгоняется без плавления. Температура кипения - 1270°С. Продукт гигроскопичен, при температурах выше 350°С начинает активно взаимодействовать с влагой, образуя фторид водорода. В равновесных условиях, при температурах, близких к температуре процесса электролиза ~960°С, трифторид алюминия полностью разлагается водой.

Трифторид алюминия технический содержит не менее 88% (основное вещество). Содержание воды для разных сортов составляет от 1,0% до 3,5%. Содержание , соответственно, не превышает 0,5% - 1,0%.

Трифторид алюминия в отечественной практике получают (в большинстве случаев) гидрохимическим способом путем варки гидроксида алюминия в плавиковой кислоте с последующей фильтрацией, сушкой и прокалкой (иногда в две стадии). Такой продукт отличается низкой насыпной массой (0,6-0,8 г/см), но содержит больше основного вещества (до 95%).

В зарубежной практике используют трифторид алюминия, получаемый "сухим" способом при взаимодействии в печах кипящего слоя газообразного фторида водорода с активным (-фракция) оксидом алюминия при температуре -800°С. Такой продукт характеризуется большей насыпной массой 1,4-1,6 г/см, но более низким содержанием основного вещества.

Фторированный глинозем представляет собой отработанный после "сухой" газоочистки электролизных газов глинозем, возвращаемый в электролиз в качестве сырьевого компонента для замены свежего глинозема и снижения потребления фтор-солей. Это порошкообразный материал серого цвета, крупность и содержание фракций в нем зависят от исходного свежего глинозема, применяемого для "сухой" ГОУ, которая оказывает незначительное влияние на его состав и свойства.

Отработанный фторированный глинозем, удаляемый из рукавных фильтров установок "сухой" газоочистки, кроме адсорбированного фтористого водорода содержит уловленную из электролизных газов пыль, содержащую твердые фториды, углерод и смолистые вещества (при очистке газов от электролизеров Содерберга).

Для фторированного глинозема характерны небольшие изменения угла естественного откоса, дисперсного состава, величины удельной поверхности и ряда других параметров. Увеличивается содержание примесей (,,,,,, СаО, МgО, МnО, , ZnO), однако эти изменения происходят в допустимых пределах, что подтверждается практикой эксплуатации установок сухой очистки газов. В наибольшей степени примесями обогащены мелкие фракции отработанного глинозема (<10 мкм).

Дисперсный состав фторированного глинозема по сравнению со свежим немного изменяется в сторону увеличения мелких фракций за счет смешения глинозема с электролизной пылью, а также измельчения более крупной фракции при транспортировке и обработке в реакторе (истирания). Увеличение доли мелких фракций может привести к некоторому увеличению расхода глинозема за счет его пыления. Также для снижения пыления в корпусе электролиза подачу отработанного глинозема в электролизеры целесообразно осуществлять через АПГ. В корпусах электролиза, где АПГ отсутствует, во избежание вторичного пылеуноса, а также вторичного образования HF в результате гидролиза фтористых соединений в случае перегрева фторированного глинозема в нижних слоях глиноземной засыпки на корке электролита рекомендуется засыпаемый на корку фторированный глинозем присыпать свежим глиноземом.

В процессе "сухой" газоочистки возможно улавливание глиноземом диоксида серы (). Для уменьшения степени улавливания глиноземом целесообразно применять рециркуляцию глинозема в соответствии с технологическим регламентом на проектирование установки.

При адсорбции фтористого водорода глиноземом в установках "сухой" ГОУ происходит изменение структуры последнего, атомы фтора входят в кристаллическую решетку , происходит практически полное замещение атомов кислорода атомами фтора в решетке . Таким образом, использование в технологии электролиза фторированного глинозема позволяет существенно сократить расход фторсолей. Экономия свежего фтористого алюминия при использовании фторированного глинозема может составлять от 6 до 11 кг/т AI.

Исследование потерь фтора при термообработке фторированных глиноземов показало, что фторированный глинозем можно возвращать на корку электролита без опасения вторичного загрязнения фтористым водородом воздуха рабочей зоны.

Отработанный фторированный глинозем с "сухих" ГОУ корпусов электролиза Содерберга, загрязненный смолистыми веществами, при загрузке в электролизеры также не оказывает отрицательного влияния на технологию электролиза и атмосферу в корпусе. Смолистые вещества, содержащиеся в отработанном глиноземе, при загрузке его в электролизеры не выделяются в атмосферу, а разрушаются в результате сгорания.

Криолит искусственный технический. В производственной терминологии "свежий криолит" - фторалюминат натрия переменного состава . Содержит не менее 54 вес.% фтора; модуль n в пределах 1,5-3,0; - 0,5-1,0%; вода - 0,2-0,8%.

В зависимости от криолитового модуля n состоит: