Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к электролитическому получению алюминия, а именно, к конструкции электролизеров для получения алюминия.

Известен электролизер [1], содержащий катодное устройство и анодное устройство. Катодное устройство содержит ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными токоподводами, заключенными в металлический кожух. Между металлическим кожухом и угольными блоками размещены огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Анодное устройство содержит угольные аноды, соединенные с анодной шиной. Аноды размещены в верхней части ванны и погружены в расплавленный электролит.

Недостатком известной конструкции электролизера является то, что разработанные для нее технологии характеризуются весьма высоким удельным расходом энергии W, определяемым уравнением

, где V - напряжение на ванне, В; η - выход по току,

k - электрохимический эквивалент [кг/кА*ч].

Обычно в технологиях получения алюминия W=13-15 кВтч/кг металла. Однако, этот расход энергии приблизительно в 2 раза больше, чем предсказываемый теоретически. Для этого есть две причины:

1. В напряжении V большую часть занимает омическое падение напряжения в электролите, определяемое величиной межэлектродного (межполюсного) зазора (МПЗ). Обычно это расстояние составляет около 5 см.

2. Выход по току η снижается при резком увеличении взаимодействия (так называемое «обратное взаимодействие») анодных продуктов (углекислого газа) и катодных продуктов (растворенного алюминия) при увеличении гидродинамического перемешивания (циркуляции) электролита и/или металла.

Таким образом, одним из важнейших недостатков вышеуказанной конструкции являются относительно высокое омическое сопротивление МПЗ и высокий расход энергии.

Известен электролизер для производства алюминия ([2], фиг.1), состоящий из анодного токоподвода, угольного анода, угольного катода с расположенными под анодом дополнительными элементами «грибами» сделанными из диборида титана, изоляции, электролита, жидкого алюминия, блюмсов.

Недостатком известной конструкции электролизера является недостаточная термо-механическая и химическая стойкость «грибов» сделанных из диборида титана, особенно на границах металл-электролит; сложность прикрепления «грибов» к подине и невозможность осуществления такого прикрепления в ныне действующих электролизерах, малая площадь контакта «гриба» с угольной подиной, а также относительно высокая стоимость и невозможность оперативного удаления «грибов» из межэлектродного зазора при необходимости, например, опускания анода на катод.

Известен электролизер для производства алюминия, принятый за прототип ([3], фиг.2), включающий катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными катодными токоподводами, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, отличающийся тем, что на угольной подине под каждым из анодов расположены тумбы с более высокой удельной электропроводностью, чем электролит, стойкие к разрушению в криолитоглиноземных расплавах и жидком алюминии, причем, верхняя поверхность тумбы выступает выше уровня катодного алюминия, а тумбы выполнены с возможностью перемещения и/или замены при необходимости.

Недостатками известной конструкции электролизера являются: относительно большие объем пространства в МПЗ, занимаемый тумбами, вес и стоимость ТУМБ, сложности перемещения и/или замены ТУМБ при необходимости. В случае необходимости использования утяжелителей расположенных внутри ТУМБы, например чугунной «гири» или заливки, это может снижать надежность конструкции вследствие разности коэффициентов термического расширения материалов, а также проникновения электролита через поры ТУМБы к материалу утяжелителя, приводя к его преждевременной коррозии и загрязнению катодного металла. Практически затруднительна возможность автоматического регулирования вертикального перемещения ТУМБы при изменении толщины слоя катодного металла.

Задача изобретения - снижение удельного расхода энергии за счет уменьшения омического сопротивления и падения напряжения в МПЗ, повышения выхода по току вследствие увеличения гидродинамического сопротивления для движения расплава у границы алюминий-электролит, и, следовательно, уменьшения перемешивания расплава и «обратных» реакций металла с анодными газами, а также удобства расположения дополнительных элементов в МПЗ на подине и возможности их оперативного и автоматизированного перемещения и/или удаления из межэлектродного зазора (МПЗ) при необходимости, например, опускания анода на катод, и уменьшение стоимости конструкции.

Технический результат полезной модели заключается в создании конструкции алюминиевого электролизера, включающего катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными токоподводами, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство, содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, в котором, согласно предлагаемому решению, на границе поверхностей катодный металл-электролит под каждым из анодов расположены поплавки с более высокой удельной электропроводностью, чем электролит, стойкие к разрушению в криолитоглиноземных расплавах и жидком алюминии, причем, верхняя поверхность поплавка выступает выше уровня катодного алюминия, а поплавки выполнены с возможностью перемещения и/или замены при необходимости.

Полезную модель дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи:

Поплавки могут быть выполнены из углеродных блоков, в частности из отходов в виде боя стандартных подовых блоков, обожженных анодов и/или электродов, плавающих на границе катодный металл/электролит вследствие разницы плотностей материалов.

Поплавки, перед тем как разместить в пространство МПЗ, обтягивают в вакуумную упаковку из фольги катодного металла и подогревают до температуры как можно ближе к температуре электролиза, но меньшей, чем температура плавления катодного металла. Затем поплавок помещают в пространство МПЗ.

Поплавки могут быть выполнены из карбида кремния и/или материала типа ANAPLAST и покрыты или пропитаны электропроводным материалом.

Поплавки могут быть выполнены из смеси диборида титана и углерода на высокотемпературной связке.

Поплавки могут быть покрыты веществом, обеспечивающим смачивание алюминием, например, диборидом титана.

Внешние поверхности поплавка предварительно обработаны/пропитаны защитными ингибиторными веществами.

Под каждым анодом может быть установлено от 1 до 240 поплавков.

Отношение суммы площадей верхней поверхности поплавков и площади анода изменяется от 10% до 120%.

Верхняя поверхность поплавков выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонту.

Поплавки могут быть любой формы, например, параллелепипед, призма, куб, гексагональной, ортогональной, шаровидной, эллипсоидной, полусферической, цилиндрической, и т.д., но симметрия и унификация поплавков может учитываться для оптимальности конструкции и процесса электролиза.

Верхняя часть поплавков изготовлена пористой, включающую ячеистую матрицу инертную по отношению к выделяемому металлу и электролиту, выполненную в виде открытой пористой структуры с образованием внутренних пор, капилляров, каналов, полостей, заполненных металлом того состава, который выделяется на катоде. Назначение функции «упрятывания» металла вглубь полости, канала, поры, капилляра - уменьшить реакции обратного взаимодействия металла с анодными газами, скорость реакции которых зависит от доставки окислителя (газов) движущихся в межэлектродном пространстве: металл, находящийся в капилляре, будет меньше окисляться.

Внутренние поры, капилляры, каналы, полости изготавливают смачивающимися металлом, при этом, поры, капилляры, каналы, полости выполнены с такими размерами, в частности диаметром и длиной, что поры, капилляры, каналы, полости соединены с основным объемом катодного металла.

Объем, занимаемый металлом в порах, капиллярах, каналах, полостях составляет от 5% до 99,0% от объема поплавка.

Поплавок захватывается по краям кронштейнами, изготовленными из неэлектропроводного материала стойкого в электролите и расположенными вдоль боковых поверхностей анода и/или вдоль нижней плоскости анода, с возможностью автоматизированного перемещения поплавка вертикально, и/или в горизонтальной плоскости, при необходимости.

Между анодами расположены перегородки изготовленные из неэлектропроводного материала стойкого в электролите и в катодном металле, с возможностью перемещения перегородок вертикально вдоль боковых поверхностей анода до самого дна катодного металла и/или частично горизонтально вдоль нижней плоскости анода, при необходимости. Перегородки препятствуют как течению горизонтальных составляющих токов, так и магнитогидродинамическим (МГД) потокам катодного металла и электролита, могут быть сплошными и с отверстиями для оптимального демпфирования МГД потоков катодного металла и электролита.

Перегородки изготовлены главным образом из оксида алюминия/глинозема, например высокоглиноземистого неформованного бетона и/или плит, и/или керамобетона. При этом синергетически решаются следующие задачи: 1) демпфирование горизонтальных составляющих электрических токов; 2) демпфирование МГД потоков катодного металла и электролита; 3) периодическое питание ванны глиноземом.

Сущность изобретения поясняется эскизами (Фиг.3, Фиг.4).

Электролизер содержит угольный анод с анодным токоподводом 1, угольную подину (катод) 2. Нижняя поверхность угольного анода погружена в электролит 3. Внутри электролизера выложена футеровка 4. Электролизер снабжен традиционным устройством для подачи сырья (глинозем, фторсоли и т.п.) и отвода отходящих газов 5, устройством для подвода тока 6 к катоду 2. В межполюсном зазоре (МПЗ) на границе поверхностей катодный металл-электролит расположены поплавки 7, защищенные от воздействия алюминия и электролита. Верхняя поверхность поплавка 7 находится в электролите 3, а нижняя поверхность находится в катодном металле (жидком алюминии) 8.

Монтаж алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.

Поплавки 7, перед тем как разместить в пространство МПЗ, могут быть обтянуты в вакуумную упаковку из фольги катодного металла с целью закрытия поверхностных пор, защиты поплавка от окисления на воздухе, улучшения теплопередачи и подогреты до температуры как можно ближе к температуре электролиза, но меньшей, чем температура плавления катодного металла. Затем поплавок помещают в пространство МПЗ.

Для электролизеров с обожженными анодами установка поплавков 7 осуществляется непосредственно под обожженными анодами 1 во время замены со ответствующего анодного блока, отключ ение ванны от питания при этом не требуется. Для электролизеров с самообжигающимися анодами Содерберга установка поплавков осуществляется также непосредственно под анод при предварительном поднятии анода, при этом ванна может быть отключена от источника питания током. В обоих случаях в местах установки поплавков осуществляется очистка угольной подины 2 от скопившегося осадка.

Поплавки 7 могут быть покрыты диборидом титана, что приводит к улучшению смачивания поверхности поплавков расплавленным металлом и образованию на верхнем основании поплавка пленки алюминия, которая стекает к подине. Внешние поверхности поплавка 7 предварительно обработаны или пропитаны защитными ингибиторными веществами, с целью уменьшения скорости растворения и/или окисления в электролите для увеличения срока службы.

Поплавок 7 захватывается по краям кронштейнами 9, изготовленными из неэлектропроводного материала стойкого в электролите и катодном металле и расположенными вдоль боковых поверхностей анода и/или вдоль нижней плоскости анода, с возможностью автоматизированного перемещения поплавка 7 вертикально, и/или частично в горизонтальной плоскости, при необходимости. Кронштейн 9 прикреплен к перемещаемой тяге 10, которая может быть выполнена из обычных конструкционных материалов.

Между анодами 1 расположены перегородки 11 изготовленные из неэлектропроводного материала стойкого в электролите и катодном металле с возможностью перемещения перегородок 11 вертикально вдоль боковых поверхностей анода 1 до самого дна катодного металла 8 и/или частично горизонтально вдоль нижней плоскости анода 1, при необходимости. Перегородки 11 препятствуют как течению горизонтальных составляющих токов, так и магнитогидродинамическим (МГД) потокам катодного металла 8 и электролита 3.

При этом происходит улучшение следующих ТЭП электролиза алюминия: уменьшение удельного расхода энергии, увеличение выхода по току, снижение рабочего напряжения и увеличение производительности электролизера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Х. Чанг, В.де Нора и Дж.А. Секхар «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд.Красноярск. гос. ун-т, Красноярск, 1998.

2. J.R. Rayne: US Patent, 4.405.433, April 1981.

3. Патент №111540.- Электролизер для производства алюминия/Попов Ю.Н., Поляков П.В., Островский И.В. Приоритет от 30.06.2011.