Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ХОЛЛА-ЭРУ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЫ С ИНЕРТНЫМИ АНОДАМИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Настоящее изобретение относится к электролизерам для производства алюминия, а более конкретно относится к способу преобразования обычных электролизеров, содержащих расходуемые аноды, в электролизеры, содержащие инертные аноды.

В существующих электролизерах расплавов алюминия используются угольные аноды, при эксплуатации которых происходит образование CO₂ и других газообразных побочных продуктов, так что эти аноды приходится часто заменять. Инертные или не расходуемые аноды могут исключить такую необходимость, но внедрение инертных анодов требует решения других проблем, таких как регулирование теплового равновесия электролизера. Кроме того, существуют тысячи обычных электролизеров, полностью заменить которые было бы невозможно с экономической точки зрения. Поэтому нужен эффективный способ преобразования обычных электролизеров Холла-ЭРУ в электролизеры с инертными анодами для производства алюминия.

На фиг.1 представлен частичный вид сбоку обычного электролизера для производства алюминия, включающего в себя обычные расходуемые угольные электроды.

На фиг.2 представлен частичный вид сбоку электролизера для производства алюминия, переоснащенного сборками инертных анодов в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 представлено сечение на виде сбоку сборки инертных анодов, предназначенной для замены обычного расходуемого угольного анода, в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.4 представлен вид в плане сборки инертных анодов, показанной на фиг.3.

На фиг.5 представлен частичный вид в плане электролизера для производства алюминия, включающего в себя матрицу сборок инертных анодов, которые можно установить в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Одним из аспектов настоящего изобретения является разработка способа переоснащения электролизера расплава алюминия. Этот способ включает в себя этапы, на которых извлекают, по меньшей мере, один расходуемый угольный анод из работающего электролизера и заменяют этот, по меньшей мере, один расходуемый угольный анод, по меньшей мере, одним инертным анодом. Инертные аноды можно предварительно нагревать перед установкой, например, до температуры, приближенной к температуре ванны электролизера. В одном конкретном варианте осуществления, расстояние «анод - катод» для расходуемых угольных анодов увеличивают перед их заменой. Затем последовательно устанавливают инертные аноды, соблюдая некоторое промежуточное межэлектродное расстояние.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут более очевидными после рассмотрения нижеследующего описания.

На фиг.1 условно изображен электролизер 1 для производства алюминия, включающий в себя расходуемые угольные электроды 2, которые можно заменять сборками инертных анодов в соответствии с предлагаемым способом. Электролизер 1 включает в себя огнеупорный материал 3, опирающийся на стальной кожух. На огнеупорном материале 3 расположен катод 4 из угля или аналогичного материала. С катодом 4 соединен токоприемник 5. Расходуемые угольные аноды 2 погружены в электролитическую ванну 7 на уровне, определяемом расстоянием «анод - катод» (межэлектродное расстояние). Вокруг боковых сторон электролизера 1 обычно образуется мерзлая корка 8 материала ванны.

На фиг.2 изображен электролизер для производства алюминия, переоснащенный сборками 12 инертных анодов в соответствии с конкретным вариантом осуществления предлагаемого способа. Сборки 12 инертных анодов, показанные на фиг.2, заменяют обычные расходуемые угольные аноды 2, показанные на фиг.1. Сборки 12 инертных анодов погружены в электролитическую ванну на уровне, определяемом расстоянием «анод - катод». Каждый угольный катод 2 может быть заменен одной сборкой 12 инертных анодов, как показано на фиг.1 и 2. В альтернативном варианте переоснащенный электролизер 12 может включать в себя количество сборок 12 инертных анодов, большее или меньшее, чем количество угольных анодов 2, используемых в обычном электролизере 1.

Как показано на фиг.2, каждая сборка 12 инертных анодов, которая может заменить расходуемый угольный анод, включает в себя, по существу, горизонтальную матрицу инертных анодов 14, расположенных под теплоизолирующим материалом 18. Чтобы обеспечить дополнительную теплоизоляцию, между стальным кожухом или огнеупорным материалом 3 и сборками 12 инертных анодов вдоль верхнего края электролизера 10 можно, по выбору, предусмотреть проходящий внутрь периферийный бордюр (не показан).

На фиг.3 и 4 изображена сборка 12 инертных анодов, которую можно устанавливать в электролизере в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения. Сборка 12 включает в себя, по существу, горизонтальную матрицу инертных анодов 14. В конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг.3 и 4, используются одиннадцать установленных в шахматном порядке инертных анодов 14. Однако можно использовать любое подходящее количество и расположение инертных анодов. Как показано на фиг.3, каждый инертный анод 14 электрически и механически прикреплен соединителем 16 к изолирующей крышке 18. Изолирующая крышка 18 соединена с электропроводным опорным элементом 20.

Можно использовать любую желаемую форму или размер инертных анодов. Например, по существу, цилиндрические чашеобразные инертные аноды 14, показанные на фиг.3 и 4, могут иметь диаметры от примерно 127 мм (5 дюймов) до примерно 635 мм (30 дюймов). Композиция каждого инертного анода 14 может включать в себя любой подходящий металл, керамику, металлокерамику и т.д., которая обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью и стабильностью во время процесса производства алюминия. Например, для использования в инертных анодах 14 могут оказаться подходящими композиции инертных анодов, описанные в патентах США №№4374050, 4374761, 4399008, 4455211, 4582585, 4584172, 4620905, 5794112 и 5865980, а также в заявке №09/629332 на патент США, поданной 1 августа 2000 г.; каждый из этих документов упоминается здесь для справок. В частности, предпочтительные композиции инертных анодов содержат металлокерамические материалы, включающие в себя оксид Fe-Ni-Zn или фазу оксида Fe-Ni-Co в комбинации с фазой металла, такого, как Cu и/или Ag. Каждый инертный анод 14 может содержать один и тот же материал по всей своей толщине или может включать в себя более коррозионно-стойкий материал в открытых областях, подвергающихся воздействию электролитической ванны. Полые или чашеобразные инертные аноды можно заполнять защитным материалом, как показано на фиг.3, чтобы уменьшить коррозию соединителей и поверхности раздела между соединителями и инертными анодами.

Соединители 16 могут быть изготовлены из любых подходящих материалов, которые обеспечивают достаточную электропроводность и механическую опору для инертных анодов 14. Например, каждый соединитель 16 может быть изготовлен из инконеля. По выбору внутри инконелевой гильзы можно предусмотреть стержень из металла высокой электропроводности, такого как медь. Соединители 16 можно крепить к инертным анодам 14 любыми подходящим средствами, например посредством пайки твердым припоем, спекания и механического крепления. Например соединитель, содержащий инконелевую гильзу и медный сердечник можно крепить к чашеобразному инертному аноду путем заполнения нижней части инертного анода смесью порошка меди и малых шариков меди с последующим спеканием этой смеси для прикрепления медного сердечника к внутренней боковой поверхности анода. По выбору каждый соединитель 16 может включать в себя отдельные составные части для обеспечения механической опоры и подачи электрического тока к инертным анодам 14.

В соответствии с предпочтительным конкретным вариантом осуществления используют изоляцию, чтобы сохранить значительную часть тепла, которое в настоящее время теряется из обычных электролизеров, и в то же время избежать нежелательных приростов суммарного напряжения. Поверх электролизера можно установить изолирующий упаковочный материал, который может выдерживать воздействие очень тяжелых условий. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг.3, изолирующая крышка 18 может служить механической опорой и обеспечивать электрическое соединение для каждого соединителя 16. Изолирующая крышка 18 предпочтительно включает в себя один или несколько теплоизолирующих слоев любой подходящей композиции (любых подходящих композиций). Например, на открытых областях изолирующей крышки 18 можно предусмотреть весьма коррозионно-стойкий огнеупорный изолирующий материал, тогда как во внутренних областях крышки можно предусмотреть материал, обладающий более высокими теплоизолирующими свойствами. Изолирующая крышка 18 также может включать в себя электропроводную металлическую пластину, которая обеспечивает токопроводящую дорожку от электропроводного опорного элемента 20 к соединителям 16, как показано на фиг.3. Электропроводную металлическую пластину можно, по меньшей мере, частично покрыть теплоизолирующим и/или коррозионно-стойким материалом (не показан). Хотя это и не показано на фиг.3, по выбору, можно предусмотреть электропроводные элементы, такие как медные стяжки, между электропроводным опорным элементом 20 и соединителями 16.

На фиг.5 изображен вид сверху электролизера 30, который переоснащен сборками 12 инертных анодов в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения. Переоснащенный электролизер 30 может представлять собой обычную конструкцию Холла-ЭРУ с катодом и изолирующим материалом 3, заключенными в стальном кожухе. Каждый обычный угольный электрод заменен сборкой 12 инертных анодов, которая, с другой стороны, прикреплена обычным образом к мосту. Сборки 12 инертных анодов могут содержать металлическую распределительную пластину, которая распределяет ток на матрицу анодов через металлический проводящий штырь, прикрепленный любым концом к пластине и аноду, описанным ранее в связи с конкретным вариантом осуществления, показанным на фиг.3 и 4.

В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг.5, переоснащенный электролизер 30 содержит матрицу из шестнадцати сборок 12 инертных анодов. Каждая сборка 12 заменяет один расходуемый угольный анод электролизера. Каждая сборка 12 инертных анодов может включать в себя несколько инертных анодов, например столько, сколько показано на фиг.4. Во время операции замены анодов исходные расходуемые угольные аноды можно последовательно заменять сборкой 12 инертных анодов. Электролизер 30 можно разделить на сектора, которые содержат по несколько расходуемых инертных анодов. Например, электролизер 30, показанный на фиг.5, можно разделить на квадранты, каждый из которых содержит четыре расходуемых анода. Можно заменить аноды в одном квадранте, а после этого - аноды в другом квадранте, и т.д. В альтернативном варианте аноды можно заменять последовательно, идя от одного конца электролизера к противоположному концу электролизера. В другом примере аноды можно последовательно заменять, идя из центральной зоны электролизера к наружным зонам электролизера.

Процедура преобразования в соответствии с настоящим изобретением является следующей: последовательно заменяют все угольные аноды сборками инертных анодов в работающем электролизере или резервуаре и заменяют весь имеющийся материал покрытия анодным покрытием, таким как изолирующие упаковочные материалы и/или смесь оксида алюминия и измельченного материала ванны. По выбору резервуар можно эксплуатировать в течение некоторого периода времени до тех пор, пока уровень угля в ванне не уменьшится до минимального стабильного уровня, и тогда можно будет заменить исходный комплект сборок инертных анодов постоянным комплектом сборок инертных анодов. В этом конкретном варианте осуществления исходный комплект сборок инертных анодов может представлять собой переходный комплект для других преобразований резервуара.

Можно использовать следующий поэтапно осуществляемый способ преобразования:

(1) регулируют содержание оксида алюминия в ванне до достижения 5,5-8,5 процента, предпочтительно - 6,2-6,8 процента, в зависимости от соотношения ингредиентов и температуры;

(2) увеличивают расстояние «анод - катод» угольных анодов для компенсации повышенного сопротивления инертных анодов;

(3) предварительно нагревают сборки инертных анодов приблизительно до температуры электролизера в отдельной печи при скорости нагревания, не превышающей 100 градусов Цельсия за час;

(4) скалывают корку вокруг угольных анодов, подлежащих замене, и извлекают аноды;

(5) счищают куски материала ванны и куски анодов с открытого места для установки анодов;

(6) извлекают эквивалентный инертный анод из печи для предварительного нагревания и быстро устанавливают на свободное место взамен угольного анода;

(7) устанавливают изолированные боковые и центральное покрытия, соответствующие положению заменяемого анода;

(8) регулируют высоту сборки эквивалентных инертных анодов для получения токовой нагрузки, сравнимой с токовой нагрузкой угольных анодов;

(9) продолжают заменять угольные аноды эквивалентными инертными анодами;

(10) осуществляют обычную эксплуатацию электролизера и контролируют содержание угля и карбидов в ванне.

Чтобы преобразовать электролизер Холла, работающий на угольных анодах, в электролизер, работающий на инертных анодах, желательно заменить все аноды за короткий период времени, например 4-8 часов. Если замена происходит дольше, угольные аноды в электролизере могут в процессе замены негативно повлиять на инертные аноды и сделать срок службы инертных анодов значительно короче, чем потенциально возможный.

Инертные аноды из металлокерамических материалов могут страдать растрескиванием вследствие тепловых ударов. Следовательно, эти аноды нужно предварительно нагревать приблизительно до рабочей температуры резервуара перед тем, как ими можно будет заменять угольный анод. Предпочтительный способ осуществления замены инертными анодами во всем резервуаре заключается в преобразовании существующего резервуара на некоторой позиции в технологической цепочке, близкой к резервуару, где надлежит провести замену, путем введения этого резервуара в газовую печь для предварительного нагревания всех анодов одновременно. Аноды могут опираться на уже существующую надстройку и футеровку резервуара, замененную для обеспечения прямого или косвенного нагревания анодов. Например, используемой системой подвода энергии может быть система газового подслоя, обычно используемая в цехах огнеупорных изделий для предварительного нагревания резервуара, полностью переоснащенного футеровкой, перед введением материала ванны и повторного соединения ее с шиной, при эксплуатации которой проходит ток.

В качестве конкретного примера отметим, что инертные аноды, расположенные с соблюдением того же расстояния «анод - катод» (РАК), что и угольные аноды, требуют избыточного напряжения резервуара 0,60 В ввиду большей противо-эдс инертных анодов. Это избыточное напряжение не обеспечивает энергию нагревания. Чтобы восстановить стабильность, имевшую место в резервуарах с угольными анодами, может потребоваться увеличение межэлектродного расстояния, например, на 18 мм (при его увеличении от 40 до 58 мм, напряжение в резервуаре увеличивается от 4,50 до 5,25 В). Последующие настройки высот основаны на окончании замены анодов с соблюдением межэлектродного расстояния, составляющего 58 мм для всех анодов. В зависимости от условий в резервуаре напряжение и межэлектродное расстояние в резервуаре можно затем уменьшить, если это желательно. Непосредственно перед заменой анодов можно поднять анодный мост, чтобы увеличить межэлектродное расстояние и напряжение в резервуаре от 4,50 до 5,5 В. Межэлектродное расстояние для угольных анодов можно увеличить от 40 до 65 мм (в соответствии с эмпирическим правилом, 25 мм соответствуют 1,00 В). При извлечении первого угольного анода можно нанести метки начала отсчета на соединительный стержень. После этого можно извлечь угольный анод и разместить на калибровочной раме для установки анодов. Воспользовавшись качающимся рычагом или другим подходящим приспособлением, можно измерять расстояние от низа анода. Первый инертный анод, подлежащий установке в электролизере, можно устанавливать на высоте, например, на 8 мм ниже, чем угольный анод, заменяемый устанавливаемым инертным анодом. Причина установки инертных анодов несколько ниже, чем угольных анодов, заключается в том, чтобы воспрепятствовать отбору угольными анодами (с меньшей противо-эдс) исключительной доли тока по мере установки все большего и большего количества инертных анодов во время замены остающихся угольных анодов. Когда все инертные аноды установлены, расстояния «анод - катод» будут составлять приблизительно 58 мм, а напряжение в резервуаре - 5,85 В. Когда позволяют условия резервуара, напряжения можно уменьшать, например, от 5,85 до 5,10 В (с уменьшением межэлектродных расстояний от 58 до 40 мм). Напряжения в резервуаре и расстояния «катод - анод» можно дополнительно регулировать в той степени, в какой это допускается тепловым равновесием и стабильностью.

Во время проведения и после операции замены анодов подходящими рабочими параметрами электролизера могут быть, например, высота ванны 15-18 см, высота металла 28 см, температура около 960 градусов Цельсия, процентное содержание AlF₃ 9,0% и процентное содержание оксида алюминия 6,2-6,8%.

В соответствии с настоящим изобретением сборки инертных анодов можно использовать для замены расходуемых угольных анодов в обычных электролизерах для производства алюминия при незначительных модификациях электролизера, например, в части катода, огнеупорной изоляции или кожуха электролизера, или вообще без каких-либо модификаций. Желательно минимизировать стоимость переоснащения, например, не допуская дополнительных затрат на печи и вспомогательное оборудование при условии успешной замены угольных анодов. В соответствии с настоящим изобретением не нужно отключать электролизер и нести вытекающие отсюда потери производительности. В соответствии с настоящим изобретением исключается необходимость перестройки электролизера. Настоящее изобретение обеспечивает несколько преимуществ, включая экономию капиталовложений, достигаемую за счет того, что не нужны существенные модификации или полная замена существующих электролизеров.

Поскольку конкретные варианты осуществления этого изобретения были описаны выше в иллюстративных целях, специалистам в данной области техники будет ясно, что возможны многочисленные изменения деталей настоящего изобретения в рамках объема притязаний изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.