ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Полезная модель 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 (блюмсами), заключенных 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,
к - 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, принятый за прототип ([2], рис.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 прототипа 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.
Задача полезной модели - 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 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 (блюмсами), 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 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 и тумбы можно перемещать и/или заменять при необходимости.
Полезную модель дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи:
Тумбы могут быть выполнены из углеродных блоков, в частности из отходов (боя) стандартных подовых блоков, обожженных анодов и/или электродов, и внутрь каждого блока закапсулирован груз, например, чугунный, не позволяющий «тумбе» плавать в расплаве.
Тумбы могут быть выполнены из карбида кремния и покрыты или пропитаны электропроводным материалом.
Тумбы могут быть выполнены из смеси диборида титана и углерода на высокотемпературной связке.
Тумбы могут быть покрыты веществом, обеспечивающим смачивание алюминием, например, диборидом титана.
Внешние поверхности тумбы предварительно обработаны/пропитаны защитными ингибиторными веществами.
Под каждым анодом может быть установлено от 1 до 240 тумб.
Отношение суммы площадей верхней поверхности тумб и площади анода изменяется от 10% до 120%.
Верхняя поверхность блоков выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонту
Верхняя часть тумбы 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 ТУМБЫ.
Сущность полезной модели поясняется эскизом (Фиг.2).
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. На угольную подину (катод) 2 установлены тумбы 7 с чугунным и/или стальным и/или другим утяжелителем, защищенным от воздействия алюминия и электролита. Верхняя поверхность тумбы 7 находится в электролите 3, а нижняя поверхность находится в катодном металле (жидком алюминии) 8.
Монтаж алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.
Для электролизеров с обожженными анодами установка тумб 7 осуществляется непосредственно под обожженными анодами 1 во время замены соответствующего анодного блока, отключение ванны от питания при этом не требуется. Для электролизеров с самообжигающимися анодами Содерберга установка тумб 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 блоков осуществляется очистка угольной подины 2 от скопившегося осадка.
Тумбы 7 могут быть покрыты диборидом титана, что приводит к улучшению смачивания поверхности блоков расплавленным металлом и образованию на верхнем основании блока пленки алюминия, которая стекает к подине. Внешние поверхности тумбы 7 предварительно обработаны или пропитаны защитными ингибиторными веществами, с целью уменьшения скорости растворения и/или окисления в электролите для увеличения срока службы
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.