Alumina Dissolution in Cryolite Melts: Effects of Secondary Alumina Properties on Dissolution and Raft Formation

Abstract

I Hall-Héroult prosessen som brukes til å produsere primær alumina, er oppløsning av råmaterialet alumina en av de viktigste delene av selve produksjonsprosessen. Et fenomen som ikke er fullt forstått enda innen oppløsning av alumina er formasjonen av agglomerater, også kjent som flåter, som oppstår når alumina tilsettes elektrolytten. Det er viktig at alumina blir nøyaktig levert og fordelt i elektrolytten med rask oppløsning, uten formasjon av flåter, for å opprettholde en stabil og effektiv produksjonsprosess, redusere utslipp, samt gjøre prosessen mer økonomisk.

Hovedmålet med denne oppgaven er å undersøke hvordan de fysiske og kjemiske egenskapene til alumina påvirker formasjonen og oppløsningen av flåter som en funksjon av tid, samt endringer i flåtestruktur. Eksperimentene er utført i en laboratorieovn hvor målet er å utvikle en reproduserbar metode for prøveuttakning av alumina flåter samt legge til rette for observasjoner av flåte oppførsel og oppløsningsprosessen i ovnen ved bruk av videoopptak. Alumina tilsettes en elektrolytt som holder 970 ̊C hvor flåtene som formes på overflaten hentes ut etter 60 og 180 sekunder og veies for å utlede oppløsningsraten. Tre forskjellige typer sekundæralumina fra industrien ble benyttet i den tilstanden de ble mottatt, hvorav alle de tre typene ble siktet til en fraksjon med alumina finstoff med partikler < 45 µm. Eksperimentene viser at bulk alumina fordeles godt utover elektrolyttoverflaten og danner plateformede flåter som oppløses med en rate på mellom 0.42-1.57 g/min. I kontrast, så fordelte alumina flåtene fra finfraksjonen seg dårligere og dannet flåter med pellet-form som oppløste seg i en rate på mellom 0.06-1.15 g/min. Videoopptakene viste at flåtene fra bulk alumina løste seg opp med en relativt rask rate initialt og oppløses opp fullstendig på overflaten til elektrolytten som en flåte eller ved å brytes opp i subflåter som synker i smelten. De mindre pellet-formede flåtene fra finfraksjonen viste seg å løse seg opp saktere mens de holdt seg flytende i elektrolyttoverflaten.

Et utvalg av flåter ble sendt til skanning ved bruk av røntgendatatomografi for å kvalitativt undersøke flåtenes struktur og bestemme tetthet, porøsitet og porestørrelsesdistribusjon. Flåtene hentet ut fra bulken etter 60 s hadde en gjennomsnittlig porøsitet på 19.1 % mens flåtene hentet ut etter 180s hadde en porøsitet på 11.9 %, for finstoff ble porøsiteten målt til 9.6 % etter 60 s og 9.1 % etter 180 s. Det ble funnet ut at partikkelstørrelsesdistribusjon hadde størst påvirkning på flåte utseende, oppløsningsrate, porøsitet og struktur.

In the Hall-Héroult process used to produce primary aluminium, dissolution of the raw-material alumina is one of the most critical parts of the production process. A phenomenon in the dissolution process not fully understood yet is the formation of floating agglomerates, known as rafts, when alumina is added to the electrolyte. Alumina must be reliably delivered and dispersed to the electrolyte and rapidly dissolved, without the formation of rafts, to maintain stable and efficient operations, reduce emissions, and improve the economy of the process.

The main objective of this work is to investigate how alumina's physical and chemical properties affect the formation and dissolution of rafts as a function of time, as well as changes in raft structure. Experiments are performed in a lab-scaled furnace where the goal is to develop a reproducible method for alumina raft sampling and facilitate observations of raft behaviour and dissolution by video recording. Alumina is added to an electrolyte holding 970 ̊C, where rafts formed on the surface are retrieved after 60 and 180 seconds and weighed to infer dissolution rate. Three different secondary alumina types were used as received from the industry, and all types were sieved to obtain a fraction of fines consisting of alumina particles < 45 µm. The experiments show that alumina from the bulk disperses well on the electrolyte's surface to form disc-shaped rafts dissolving with a rate ranging between 0.42-1.57 g/min. In contrast, alumina from the fine fraction disperses less and forms smaller rafts shaped like pellets, dissolving with a rate between 0.06-1.15 g/min. Video recordings show that rafts from the bulk dissolve at a relatively fast initial rate to either dissolve at the electrolyte surface as a raft until completion or break up and sink into the melt as subrafts. The small pellet-formed rafts of the fines were found to dissolve slower while staying afloat on the electrolyte surface.

A selection of rafts was scanned by x-ray computed tomography to qualitatively investigate the structure of the rafts and determine their density, porosity, and pore size distribution. Rafts collected from the bulk were found to have an average porosity of 19.1 % for rafts collected after 60 s and 11.9 % for rafts collected after 180 s, for the fines were porosity measured to be 9.6 % after 60 s and 9.1 % after 180 s. It was found that the particle size distribution had the most significant influence on raft appearance, dissolution rate, porosity, and structure.