ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
ELECTROLYSIS UNIT FOR ALUMINIUM MAKING

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизеров для получения алюминия.
Известен электролизер [Х. Чанг, В. де Нора и Дж.А. Секхар «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд-во: КГУ, Красноярск. - 1998], 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
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>v</mi><mrow><mi>k</mi><mi>η</mi></mrow></mfrac></mrow>
, где V - напряжение на ванне, В; η - выход по току, k - электрохимический эквивалент [кг/кА*ч].
Обычно в технологиях получения алюминия W=13-15 кВт·ч/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 [US 4405433, C25C 3/08, опубл. 20.09.1983], 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 термомеханическая 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.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является электролизер для производства алюминия [RU №111540, C25C 3/06, опубл. 20.12.2011], 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.
Кроме вышеописанного, известным недостатком ныне существующих электролизеров с горизонтальным расположением электродов (фиг.3, анод 1 и катод 2) является тот факт, что образующиеся на аноде 1 газы устремляются к краям анода, приводя в движение расплав 4. По периметру анода 1, где анодные газы 7 устремляются вверх, образуя гидродинамическое разрежение на границе раздела алюминий-электролит, образуется поднимающаяся вверх волна алюминия 9. На вершине волны частицы алюминия могут отрываться и, будучи захваченными газовыми пузырями 7, устремляются вверх в электролите 4 и к аноду 1, где окисляются, т.е. происходит обратная реакция, которая уменьшает выход по току электролизера. В результате данного явления выход по току может уменьшаться приблизительно на 0,3%.
Техническим результатом изобретения является снижение удельного расхода энергии за счет уменьшения МПЗ, омического сопротивления и падения напряжения в МПЗ, повышение выхода по току вследствие увеличения гидродинамического сопротивления для движения расплава у границы алюминий-электролит по периметру анода, и, следовательно, уменьшения перемешивания расплава и «обратных» реакций металла с анодными газами.
Технический результат достигается тем, что в электролизере для производства алюминия, включающем 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, новым является то, что он снабжен тумбами или поплавками, размещенными по периметру анода в межполюсном зазоре на границе поверхностей катодный алюминий-электролит, верхняя поверхность которых выступает выше уровня катодного алюминия, с возможностью перемещения и/или замены тумбы или поплавка при необходимости. Новым также является то, что тумбы или поплавки выполнены из углеродных блоков, в частности из отходов в виде боя стандартных подовых блоков, обожженных анодов и/или электродов, карбида кремния или комбинации углерода и карбида кремния, находящихся и/или плавающих на границе катодный металл/электролит вследствие разницы плотностей материалов. Внешние поверхности тумбы или поплавка предварительно покрыты или пропитаны защитными ингибиторными веществами; под каждым анодом может быть установлено от 1 до 240 тумб или поплавков, которые (поплавки) могут быть любой формы, например параллелепипед, призма, куб, гексагональной, ортогональной, шаровидной, эллипсоидной, полусферической, цилиндрической, а также комбинациями форм и т.д. Верхняя поверхность тумбы или поплавка выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонту.
Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи:
1. Поплавки имеют плотность меньше, чем у катодного металла, но больше, чем у электролита, плавают на границе катодный металл/электролит вследствие разницы плотностей материалов, причем верхняя поверхность поплавка выступает выше уровня катодного алюминия.
2. Тумбы или поплавки могут быть выполнены из углеродных блоков, блоков из карбида кремния или их комбинации, в частности из отходов в виде боя стандартных блоков, обожженных анодов и/или электродов, находящихся на границе катодный металл/электролит вследствие разницы плотностей материалов.
3. Тумбы или 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 тумбу или поплавок помещают в пространство МПЗ.
4. Тумбы могут быть выполнены из карбида кремния и/или материала типа ANAPLAST.
5. Внешние поверхности тумбы или поплавка предварительно обработаны/пропитаны защитными ингибиторными веществами.
6. По периметру анода может быть установлено от 1 до 240 тумб или поплавков.
7. Верхняя поверхность тумб или поплавков выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонту.
8. Поплавки могут быть любой формы, например параллелепипед, призма, куб, гексагональной, ортогональной, шаровидной, эллипсоидной, полусферической, цилиндрической, комбинации различных форм и т.д., но особенности конструкции и унификация поплавков могут учитываться для оптимальности конструкции и процесса электролиза.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами 1-6.
Электролизер содержит угольный анод с анодным токоподводом 1, угольную подину (катод) 2. Нижняя поверхность угольного анода погружена в электролит 3. Внутри электролизера выложена футеровка 6. Электролизер снабжен традиционным устройством для подачи сырья (глинозем, фторсоли и т.п.) и отвода отходящих газов 8, устройством для подвода тока 3 к катоду 2. В межполюсном зазоре (МПЗ) на границе поверхностей катодный металл-электролит 4 по периметру анода 1, в том месте, где обычно образуется волна катодного металла 9 (фиг.3), помещаются тумбы или поплавки в форме параллелепипеда 10 (фиг.4) или других форм или их комбинаций (фиг.5), в т.ч. призма, куб, гексагональной, ортогональной, шаровидной, эллипсоидной, полусферической, цилиндрической, причем в нижней части тумбы или поплавка имеются сквозные отверстия 12 для протекания алюминия (фиг.5). В отличие от тумбы поплавок прикрепляют кронштейнами 11 по периметру анода 1 (фиг.6), причем кронштейны 1 изготовлены из карбида кремния или аналогичного токонепроводящего материала, стойкого в криолитоглиноземных расплавах и алюминии при температурах 950-1100°C.
Монтаж алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.
Тумбы или поплавки, 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.
При этом происходит улучшение следующих ТЭП электролиза алюминия: уменьшение МПЗ, рабочего напряжения и удельного расхода энергии, увеличение выхода по току и производительности электролизера.