ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
ELECTROLYTIC CELL FOR RECEIVING OF ALUMINIUM

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к электрометаллургии алюминия, и может быть использовано при получении алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава.
Практически все конструкции электролизеров для получения алюминия состоят из одинаковых узлов: металлического корпуса, футерованного углеродными плитами и блоками и имеющего огнеупорную теплоизоляцию (например, из шамотного кирпича), катодного и анодного устройств и системы токоподвода /Уткин Н.И. Металлургия цветных металлов. - М.: Металлургия, 1985, с.351-352/. При этом катодное устройство представляет подину ванны и состоит из угольных блоков, связанных угольной набойкой. В катодные блоки введены металлические стержни, соединенные с катодной шиной. В качестве анодов в электролизерах используются либо самообжигающиеся, либо предварительно обожженные аноды.
В настоящее время в мировой практике преимущественно используются электролизеры повышенной мощности с предварительно обожженными анодами /Ветюков М.М. и др. Электрометаллургия алюминия и магния. - М.: Металлургия, 1987, с.105-107/. Анодное устройство таких электролизеров состоит из двух рядов обожженных анодов, закрепленных на анодной раме и соединенных с анодными шинами. Электролизеры с предварительно обожженными анодами обладают рядом преимуществ по сравнению с электролизерами, снабженными самообжигающимися анодами, в том числе это снижение падения напряжения в анодном узле, приводящее к уменьшению удельного расхода электроэнергии, а также возможность повышения единичной мощности электролизеров. В настоящее время известны электролизеры с единичной мощностью до 400 кА.
Большое влияние на работу электролизеров оказывают электромагнитные силы, возникающие в расплаве в результате взаимодействия магнитного поля токов, протекающих по токоведущим элементам электролизера, с током, проходящим через электролит и расплавленный алюминий. Это влияние выражается в перекосе поверхности расплавленного алюминия, а также в возникновении волнения его поверхности, связанного с электромагнитной циркуляцией металла и электролита в ванне. Амплитуда волн на поверхности алюминия сопоставима с величиной межполюсного расстояния, что может привести к местному перегреву электролита, связанному с этим снижению выхода по току, а также к появлению местных коротких замыканий. Для предотвращения этого приходится увеличивать межполюсное расстояние, что приводит к увеличению падения напряжения в электролите и повышению удельного расхода электроэнергии. Электромагнитные силы возникают во всех электролизерах, однако, если в электролизерах малой мощности влияние этих сил практически не ощущается, то при мощности более 100 кА их влияние становится весьма ощутимым.
Задачей изобретения является разработка конструкции электролизера повышенной единичной мощности, позволяющей снизить удельный расход электроэнергии и расход металла на ошиновку электролизера при минимальных конструктивных изменениях. Техническим результатом изобретения является снижение гидродинамического воздействия электромагнитных сил на ванну расплавленного алюминия, уменьшение амплитуды колебаний поверхности расплавленного алюминия, уменьшение межполюсного расстояния на электролизерах повышенной единичной мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что электролизер, содержащий корпус, образующий ванну, аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны в слое расплавленного электролита, а также слой расплавленного алюминия, являющийся катодом и соединенный с катодной шиной, дополнительно включает одну или несколько вертикальных перегородок из огнеупорного материала, размещенных внутри ванны перпендикулярно ее продольной оси.
Частным случаем выполнения электролизера является размещение в ванне перегородок, верхняя кромка которых расположена ниже верхнего уровня слоя расплавленного алюминия, причем каждая из перегородок в нижней части содержит одно или несколько отверстий, соединяющих части ванны, разделенные перегородками.
Также частным случаем выполнения изобретения является размещение в ванне перегородок, выполненных из огнеупорного электроизоляционного материала, верхние кромки которых расположены в слое расплавленного электролита. При этом каждая часть ванны, разделенной перегородками, снабжена отдельными анодной и катодной шинами, причем катодная шина предыдущей части ванны соединена с анодной шиной последующей части ванны.
Перегородки, размещенные в ванне, разделяют ее на несколько частей, однако наличие перегородок не влияет на плотность тока и при постоянной площади анодов и постоянной катодной поверхности производительность электролизера с перегородками близка производительности электролизера без перегородок. Размещение «n» перегородок в ванне приводит к разбиению ванны электролизера на (n+1) частей, при этом сила тока в каждой из частей электролизера в (n+1) раз меньше, чем в электролизере той же производительности, но без перегородок. Иными словами электролизер большой мощности разбивается перегородками на несколько электролизеров меньшей мощности, в которых влияние электромагнитных сил на находящийся в ванне расплав существенно ниже, чем в электролизере без перегородок.
Конструкция и размещение перегородок могут быть различными. При размещении в ванне перегородок, верхние кромки которых расположены ниже верхнего уровня слоя расплавленного алюминия, данные перегородки не препятствуют электрической связи частей ванны, позволяют сообщаться расплавленному алюминию, находящемуся в различных частях ванны через отверстия, расположенные в их нижней части. В то же время перегородки механически разделяют ванну алюминия, затрудняет циркуляцию ванны и за счет этого уменьшается амплитуда колебаний поверхности расплавленного алюминия. При таком размещении перегородки могут быть выполнены из электропроводного огнеупорного материала, устойчивого к действию расплавленного алюминия, например из графита, угольных блоков, карбида кремния.
При размещении в ванне перегородок, верхние кромки которых находятся в слое расплавленного электролита выше верхнего уровня слоя расплавленного алюминия, появляется возможность разделения ванны алюминия не только механически, причем более тщательно, но и электрически. Отсутствие связи между различными частями ванны алюминия позволяет еще в большей степени уменьшить циркуляцию расплава, за счет чего уменьшить амплитуду колебаний поверхности расплавленного алюминия. Выполнение перегородок из огнеупорного электроизоляционного материала, например из огнеупорного кирпича, позволяет снабдить каждую из частей ванны отдельными анодной и катодной шинами, причем катодная шина предыдущей части соединена с анодной шиной последующей части. Предложенная выше конструкция электролизера обеспечивает последовательное соединение частей электролизера, разделенных перегородками, что при сохранении постоянной плотности тока и производительности электролизера в целом, позволяет в (n+1) раз снизить силу тока, проходящего через электролизер. Уменьшение силы тока не только снижает гидродинамическое воздействие электромагнитных сил на ванну расплавленного алюминия, но и дополнительно сопровождается снижением расхода металла на ошиновку электролизера.
При любом размещении перегородок их верхняя кромка размещена так, чтобы не разделять слой расплавленного электролита, что позволяет поддерживать постоянный температурный режим по всей длине ванны электролизера.
Уменьшение амплитуды колебаний поверхности расплавленного алюминия за счет механического разделения ванны перегородками и снижения силы тока, питающего электролизер, позволяет сократить межполюсное расстояние, снизить вероятность коротких замыканий, за счет чего увеличить выход по току, уменьшить падение напряжения в электролите и снизить за счет этого удельный расход электроэнергии.
Предложенная конструкция электролизера иллюстрируется следующими фигурами чертежей:
фиг.1 - схема продольного разреза электролизера с перегородкой, верхняя кромка которой находится ниже поверхности расплава алюминия;
фиг.2 - схема продольного разреза электролизера с перегородкой, верхняя кромка которой находится в слое электролита;
фиг.3 - схема ошиновки электролизера по фиг.2.
Корпус электролизера формируется металлическим кожухом 1, снабженным теплоизоляцией 2 из огнеупорного кирпича. Ванна электролизера выполнена из торцевых 3 и подовых 4 углеродистых блоков, причем подовые блоки 4 соединены с катодной шиной 5. Аноды 6 соединены с анодной шиной 7 и заглублены в слой электролита, ниже которого находится слой расплавленного алюминия 8, выполняющего роль катода и через блоки 4 соединенный с шиной 5. На фиг.1 представлена перегородка 9, в нижней части которой имеются отверстия 10, а верхняя кромка которой расположена ниже верхнего уровня слоя расплавленного алюминия. На фиг.2 представлено размещение перегородки 11, верхняя кромка которой расположена в слое расплавленного электролита. Перегородка выполнена из огнеупорного электроизоляционного материала и установлена в электролизере так, что она разделяет не только расплав, но и подовые углеродистые блоки 4, препятствуя электрической связи частей ванны, разделенных перегородками. Фиг.3 иллюстрирует последовательное подключение частей ванны, разделенных перегородкой 11.
Работа электролизера основана на электрохимическом восстановлении алюминия из электролита и его обслуживание включает подачу постоянного напряжения через шины 5 и 7 соответственно на катод (слой расплавленного алюминия 8) и аноды 6, подачу глинозема на поверхность электролита, периодический выпуск алюминия с помощью, например, вакуум-ковша.
Наличие перегородок 9, верхние кромки которых расположены ниже верхнего уровня расплавленного алюминия, позволяют разделить ванну алюминия на несколько частей (ячеек), в которых действие электромагнитных сил на расплав существенно снижается, что позволяет уменьшить амплитуду колебаний поверхности алюминия. При этом отверстия 10 обеспечивают массообмен алюминия между различными частями ванны.
Наличие перегородок 11, выполненных из огнеупорного электроизоляционного материала, верхние кромки которых расположены в слое расплавленного электролита, позволяет разделить ванну на несколько частей (ячеек) не только механически, но и электрически, что позволяет обеспечить последовательное электрическое соединение разделенных перегородками 11 частей ванны. Такое соединение снижает силу тока на ванне, что дополнительно снижает действие электромагнитных сил на расплав и позволяет уменьшить расход металла на ошиновку ванны.
Уменьшение амплитуды колебаний поверхности алюминия позволяет уменьшить межполюсное расстояние и снизить удельный расход электроэнергии.
В таблице приведены результаты сопоставления показателей электролиза алюминия на электролизерах одинаковой мощности без перегородок и с перегородкой.
№№ п/п
Показатели
Серийный электролизер
Предлагаемый электролизер
1
Количество перегородок
-
1
2
Количество ячеек
1
2
3
Токовая нагрузка на электролизер, кА
250
125
4
Межполюсное расстояние, см
5,5
4,5
5
Падение напряжения в межполюсном зазоре, В
1,58
1,30
6
Напряжение на электролизере, В
4,45
8,34
7
Напряжение на ячейке, В
4,45
4,17
8
Выход по току, %
85
85
9
Суточная производительность, кг
1730
1730
10
Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т алюминия
15430
14460
В приведенном примере уменьшение межполюсного расстояния с 5,5 до 4,5 см за счет уменьшения амплитуды колебаний поверхности алюминия позволяет пропорционально уменьшить падение напряжения в электролите и за счет этого снизить удельный расход электроэнергии на 970 кВт·ч/т алюминия.