Результат интеллектуальной деятельности: Электролизер для производства алюминия

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

Известна конструкция электролизера для производства алюминия, содержащая вертикально расположенные инертные аноды и смачиваемые катоды, внутреннюю металлическую футеровку, изготовленную из материала анода и несущую его потенциал и наклонную подину для сбора алюминия в торце ванны. (T.R. Beck, R.J. Brooks, US Patent 5,284,562, 1989).

Недостатками этой конструкции электролизера является то, что в ванне, содержащей внутреннюю металлическую футеровку, несущую потенциал анода, при электролизе с подины и боковых стенок будут выделяться пузырьки кислорода, которые поднимаясь сквозь расплав, будут окислять выделившийся на катоде алюминий и снижать его выход по току. Кроме того, при расстоянии между вертикальными электродами не более 3 см, (общепринятая величина межэлектродного расстояния в электролизерах с вертикальным расположением электродов) известными средствами питания глиноземом невозможно обеспечить его высокое содержание и равномерное распределение во всех ячейках электролизера. Это увеличит скорость растворения металлического анода в ячейках электролизера с низким содержанием глинозема и содержание примесей железа в алюминии.

Наиболее близким к заявленному изобретению является электролизер для производства алюминия, содержащий поочередно расположенные вертикальные аноды и катоды, подвешенные к коллектору так, что нижняя часть катода находится в жидком алюминии ванны. Коллектор вместе с анодами и катодами может двигаться вверх-вниз, изменяя площадь электродов, погруженных в расплав, токовую нагрузку на электроды и температуру электролита. (A.F. La Camera, К.М. Tomaswick, S.P. Ray, D.P. Ziegler, US Patent 5,415,742, 1995). Это изобретение принято в качестве прототипа.

Недостатком известной конструкции электролизера является то, что на подине ванны находится слой жидкого металла, несущий потенциал катода и передающий ток в ошиновку по угольным блокам и металлическим блюмсам. Погруженный в электролит и не растворившийся глинозем выпадает в осадок под жидкий металл на катоде, увеличивая его электросопротивление и величину горизонтальных токов в жидком металле. Взаимодействие этих токов с вертикальной компонентой индукции магнитного поля вызовет МГД-течения в жидком металле, что увеличит коэффициент массопереноса примесей с электролита в катод, их содержание в алюминии, а также повышенный расход электроэнергии и снижение выхода по току.

В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании конструкции электролизера для производства алюминия, обеспечивающей полное растворение глинозема без образования осадков на подине и исключающей возникновение по этой причине МГД-течения жидкого металла.

Техническим результатом является увеличение выхода потоку, снижение расхода электроэнергии и повышение чистоты алюминия.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в электролизере для производства алюминия, состоящем из ванны заполненной криолит-глиноземным расплавом, чередующихся вертикальных инертных анодов и катодов, системы питания глиноземом, катоды смещены вниз относительно анодов и установлены на подставки, исключающие контакт катодов с жидким алюминием, собирающимся на подине ванны.

Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные на достижение поставленной цели.

Подставки под катоды, выполненные из огнеупорного материала, установлены вдоль бортов и продольной оси ванны, а в торце ванны выполнено углубление для сбора и выливки алюминия.

Система питания глиноземом в составе бункера, течек для подачи глинозема в электролит и привода для управления течками расположена между анодными балками вдоль продольной оси ванны.

Анодная балка снабжена устройствами для продавливания корки электролита с глиноземом в ячейках, путем опускания анодной балки.

Смещение катодов относительно анодов создает в верхней части каждой ячейки увеличенный объем расплава, в котором за счет схода с поверхности анода газоэлектролитного потока происходит полное растворение и доставка в межэлектродный зазор глинозема, равномерное его распределение и высокое содержание во всех ячейках без образования глиноземных осадков на подине электролизера. Отсутствие осадков глинозема уменьшит потери электрической мощности в подине и снизит расход электроэнергии. Более низкое расположение катодов относительно анодов предотвратит также контакт поднимающихся вдоль анода пузырьков газа с поверхностью катода и окисление восстановленного на катоде алюминия. Высокое содержание глинозема во всех ячейках электролизера обеспечит снижение скорости расходования инертного анода и повышение чистоты алюминия, а исключение контакта анодных газов и катодного алюминия снизит его потери и повысит выход потоку. Кроме того, полное погружение катода в расплав исключит образование катодных наростов, характерных для низкотемпературного электролиза с инертными анодами и нарушающих стабильность технологического процесса. (I. Galasiu, R. Galasiu, J. Thonstad "Inert anodes for aluminium electrolysis, Aluminium Verlad, Dusseldorf, 2007, pp. 7-8, 24-27. 145).

Установка катодов на подставки, выполненные из огнеупорного материала вдоль бортов и продольной оси ванны, формирует пространство для стекания алюминия с катодов и перелива его в сборник алюминия в, торце ванны. При этом, поскольку алюминий не несет электрического потенциала, уменьшится количество выделяющихся на нем примесей из инертного анода, а также полностью исключается МГД-течение в электролизере и связанные с ним потери алюминия и энергетические затраты.

Установка бункера с глиноземом системы питания между анодными балками вдоль продольной оси, оборудование ее течками для подачи глинозема в электролит и приводом для управления их работой обеспечит равномерную загрузку глинозема на поверхность расплава, а устройство для продавливания корки путем опускания анодной балки - погружение глинозема в расплав одновременно во всех ячейках электролизера.

Таким образом, предлагаемая конструкция электролизера для производства алюминия, на которой постоянно поддерживается высокое содержание равномерно распределенного во всех ячейках ванны глинозема без образования осадков на подине и возникновения МГД-течения жидкого алюминия обеспечит увеличение выхода по току, снижение расхода электроэнергии и повышение чистоты алюминия.

Сущность изобретения поясняется схемой электролизера для производства алюминия (Фиг. 1). Продольный (а) и поперечный (б) разрезы электролизера.

Электролизер для производства алюминия содержит анодную балку с анодными шинами - 1 с подвешенными к ней металлическими инертными анодами - 2, катодными блоками - 3, расположенными со смещением относительно анодов и поверхности жидкого алюминия, с токоотводами - 4, установленными на подставки из огнеупорного неэлектропроводного материала - 5 и катодный кожух, футерованный огнеупорным материалом - 6. Выливка алюминия производится из сборника - 7, расположенного в торце ванны. Питание глиноземом производится из бункера глинозема - 8, с помощью течек - 9 и пробойников - 10. Глинозем загружается на поверхность электролита - 11, выделяющийся на катоде алюминий стекает по каналу - 12 в сборник алюминия - 7.

Монтаж электролизера для производства алюминия осуществляется следующим образом. После футеровки катодного кожуха: подина футеруется теплоизоляционными и огнеупорными кирпичами, защищенными покрытием из высокоглиноземистого огнеупорного бетона и диборида титана (RU 2281986 С1), борта - карбидкремниевой и угольной футеровкой, вдоль бортов ванны и продольной оси электролизера выкладываются подставки для катодов из огнеупорного материала (карбид кремния, магнезит и др.) высотой равной высоте стандартного кирпича. На подставки устанавливаются катоды - графитовые блоки шириной 10-15 см и высотой, например, 30 см покрытые TiB₂, внутри которых закреплены известным способом медные/стальные токоотводы (блюмсы). Токоотводы герметично заделываются в бортовой футеровке известным способом и выводятся в окна катодного кожуха. Аноды изготавливаются из металлической плиты Fe-Cu-Ni толщиной 2-4 см, что при скорости расходования 2-4 мм/год ((I. Galasiu, R. Galasiu, J. Thonstad "Inert anodes for aluminium electrolysis, Aluminium Verlad, Dusseldorf, 2007, pp. 5-8, 10. 34. 170. 174) обеспечит необходимый срок службы (не менее 5 лет).

После установки анодов в электролизер для производства алюминия осуществляется подготовка электролизера к пуску (разогрев газовыми или мазутными горелками до температуры 500-650°С), пуск электролизера и последующий его вывод на нормальный технологический режим известным способом. Питание ванны глиноземом осуществляют опусканием анодной балки с одновременным продавливанием корки и засыпки глиноземом во всех ячейках. Частоту питания и величину дозы устанавливают исходя из расхода глинозема на производство алюминия. Выливку алюминия осуществляют по стандартной схеме для известной конструкции электролизера с частотой, не допускающей замыкания жидкого металла на подине и катода.

Предлагаемая конструкция электролизера для производства алюминия позволит увеличить выход по току и снизить расход энергии за счет исключения МГД-процессов в ванне, улучшить качество алюминия и увеличить срок службы инертных анодов. При этом содержание примесей в алюминии при полном расходовании анодов в течение 5 лет эксплуатации электролизера составит 0,20%-0,35% вес, что соответствует коммерческим требованиям. Применение огнеупорной футеровки катода вместо углеродной позволит снизить ее стоимость и увеличить срок службы.