Dispersion and dissolution of alumina in cryolite melts: impact of sulfur and carbon on dissolution behavior in see through cell

Abstract

Aluminium blir produsert industrielt ved hjelp av Hall-Herôult metoden. Denne metoden produserer flytende aluminium fra aluminiumoksid (kalt alumina) og karbon i ett bad med flytende kryolitt. Denne prosessen krever høy temperatur og har ett høyt energikrav. Når kald alumina blir tilsatt flytende kryolitt, som typisk har en temperatur på 960 grader C, vil den ikke oppløses umiddelbart men heller danne en agglomerasjon på overflaten av kryolitten, en prosess som kalles flåtedannelse. Å forbedre tilsettelsesprosessen er nødvendig for å øke produksjonen i aluminiumsmelteverk. Påvirkningen av svovel og karbon på aluminiumsproduksjonen er vel diskuterte emner, men deres kvantitative påvirkning på flåtedannelse og oppløsning har ikke blitt utforsket.

Tre forskjellige smelteeksperimenter i en gjennomsiktig celle ble gjennomført i ett industribad med ekstra litiumfluorid for å undersøke mulig påvirkning fra svovel og karbon på aluminaoppløsning. Ett sett med vanlige eksperimenter ble gjennomført for å danne en standard oppløsningstid for sammenligning. Eksperimenter med natriumsulfat blandet med alumina ble gjort for å undersøke svovels innflytelse. Eksperimenter med karbon blandet inn i indudstribad ble gjort for å undersøke påvirkningen til karbon.

En metode for automatisk prosessering av videoene fra eksperimentene ble laget. ImageJ ble brukt som prosesseringsprogram, og en fungerende metode ble funnet ved bruk av en 'terskel' funksjon for å skille flåte og kryolitt. På grunn av problemer med lysforholdene var det vanskelig å hente ut kvantitative data basert på den automatiske prosesseringen alene, så visuelle observasjoner ble tatt i bruk for å bestemme oppløsningstider. Den automatiske prosesseringsmetoden burde utforskes videre. Basert på semi-kvalitative resultater funnet i dette prosjektet vil svovel føre til en raskere oppløsningsprosess, mens karbon fører til en tregere oppløsningsprosess. Videre analyse på karbon som en oppløsningsfaktor kan hjelpe med å forbedre aluminiumsproduksjon.

Aluminium is produced industrially using the Hall-Herôult method. This method produces liquid aluminium from aluminium oxide (called alumina) and carbon in a molten cryolite bath. This process requires high temperature and has a high energy demand. When ‘cold’ alumina is added to the molten cryolite, which typically has a temperature of 960 degrees C, it doesn’t immediately dissolve but instead form an agglomeration on the surface of the cryolite, a process called raft formation. Improving the feeding process is necessary to increase production in aluminium smelters. The influence of sulfur and carbon on aluminium production are well discussed topics, but their quantitative influence on raft formation and dissolution has not been investigated.

Three different melt experiments in a see through cell was performed on an industrial bath with excess lithium fluoride to investigate possible influence from sulfur and carbon on alumina dissolution. A set of normal experiments was done to establish a standard dissolution time for comparison. Experiments with sodium sulfate mixed in alumina were done to examine influence of sulfur. Experiments with carbon mixed into the bath was done to examine influence of carbon.

In addition a method for automatic processing of videos taken from the experiments was attempted. ImageJ was utilized as the processing program, and a working method was found which used the treshold function to distinguish raft and cryolite. Due to problems with lighting conditions it was hard to extract quantitative data based on the automatic processing alone, and visual observations had to be used to find dissolution times. The automatic prosessing method should be investigated further. Based on the semi-qualitative results found in this project, sulfur was found to make the dissolution process faster while carbon made the dissolution process go slower. Further investigation on carbon as a dissolution factor could improve operations.