Устройство для электролиза суспензии оксидов металлов в расплавах металлов

Полезная модель относится области металлургии, а точнее к металлурги получения алюминия.
Известен из RU 2274680, С25С 3/06, опубл. 20.04.2006 способ получения металлов электролизом расплавленных солей, который принят в качестве прототипа.
В этом патентном источнике описан способ получения металлов электролизом суспензии оксидов металлов в расплавленных солях, который включает пропускание электрического тока между катодом и анодом, при этом содержание оксидов металлов в расплавленных солях выбрано в пределах, обеспечивающих эффективное разделение приэлектродных пространств и исключающих конвекцию в зазоре между электродами, и составляет 10-60 мас. %, температуру электролиза поддерживают выше температуры ликвидуса солей, кристаллизующихся на электродах, исключающую солевую пассивацию поверхности электродов и позволяющую использовать высокие плотности тока, дисперсионная среда суспензии оксидов металлов представлена фторидным, фторидно-хлоридным расплавом или хлоридным расплавленным электролитом и выделяемый на катоде металл, в частности алюминий, а на аноде - газ, в частности кислород, отводят по внешней и внутренней поверхности электродов.
Данный способ реализуется с применением электролизной установки, обращается внимание, что универсальных электролизных установок не существует, несмотря на наличие общих узлов таких как анод, корпус (ванна), кожух, термооблицовка, крышка и т.д. Применительно к способу получения алюминия каждая установка имеет свою неповторяющуюся конструкцию.
Так, в известном патенте электролизная установка содержит корпус, в котором размещены нерасходуемый анод и катод и полость между ними заполнена суспензией. Замкнутый циркуляционный контур суспензии расположен в межполюсном расстоянии (МПР). При этом вдоль поверхностей электродов циркулирует только тонкий слой суспензии, в котором доля электролита больше, чем в объеме суспензии. Почти неподвижная суспензия в середине МПР служит в качестве пористой диафрагмы, разделяющей прианодное и прикатодное пространства. Газообразный кислород, выделяющийся на аноде, перемешивает и увлекает часть расплава вверх. После этого нисходящий поток скользит вдоль поверхности катода, помогая металлу стекать по поверхности электрода и/или проникать в его каналы. Для питания оксид металла подается на поверхность суспензии вблизи анода там, где выходящие на поверхность пузырьки газа способствуют интенсивному перемешиванию частиц оксида металла с расплавом. В данной установке смачиваемый алюминием катодный стержень выполнен с квадратным сечением с одним продольным каналом и несколькими открытыми поперечными каналами. Внутренняя поверхность каналов также смачивалась алюминием. Катод установлен на дно алундового тигля с суспензией и погружен в алюминий, отделенный от суспензии над ним посредством алундовой горизонтальной перегородки.
Эта установка позволяет обеспечить эффективное разделение продуктов электролиза при небольших межэлектродных расстояниях (0,5-2 см) и высокую энергетическую эффективность процесса. Технический результат заключается в исключении конвенции в зазоре между электродами и солевой пассивации поверхности электродов, а также в создании эффективного разделения катодного и анодного пространства и повышении плотности тока. Недостатком устройства является использование для формирования дисперсной среды суспензии оксидов металлов фторидным, фторидно-хлоридным расплавом или хлоридным расплавленным электролитом. Подобные хлориды и фториды являются источниками экологических проблем, нанося тотальный вред человеку и природе.
Кроме того, представленная в виде блок-схемы электролизной установки в реальности для получения не лабораторных доз алюминия, а промышленных объемов, представляет собой довольно сложное и громоздкое устройство.
В реальности такая установка для промышленного получения алюминия базируется на бетонном фундаменте из нескольких рядов строительного кирпича, на которые затем устанавливают кожух, прочно закрепленный анкерными болтами, залитыми в фундамент. Внутри металлического кожуха помещают два-три ряда шамотного кирпича, затем подушку из углеродистой массы, и наконец, катодные прессованные, предварительно обожженные угольные блоки. Ток подается к катоду с помощью массивных стальных стержней. Контактом между стержнями и угольными блоками служит чугун, причем каждый стальной стержень подводит ток к двум - трем угольным блокам. Непрерывный самообжигающийся анод устроен следующим образом: внутрь прямоугольной алюминиевой «рубашки» загружают угольную анодную массу. В верхних зонах анодная масса находится в тестообразном состоянии; по мере опускания в нижние зоны она превращается в сплошной твердый блок, спекаясь за счет тепла, выделяемого ванной. Для противодействия давления жидкой массы на тонкие стенки кожуха (толщиной 1-2 мм) верхняя часть его охватывается прочной рамой, от которой к нижней части кожуха идут стальные ребра жесткости Эта же рама служит для подвески анода.
В последние годы новые цехи на алюминиевых заводах оборудуют электролизными ваннами с верхним подводом тока к аноду. Катодное устройство этих ванн существенно не отличается от ванны, рассмотренной выше. Ток к аноду подводится через два, три или четыре ряда вертикальных стальных стержней. На этих же стержнях анод удерживается над ванной. Стержни расположены на различной высоте от подошвы анода. По мере сгорания анода стержни поочередно выдергивают из затвердевшей части, поднимают и закрепляют в новом положении.
В целом такой конструктивный подход металлургического ковша обусловлен применением устаревшего метода получения алюминия. В результате ковш получается громоздким, сложным в изготовлении и практически неремонтопригодным.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции электролизерной установки непрерывного получения алюминия в присутствии газообразного азота.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для электролиза суспензии оксидов металлов в расплавах металлов включает в себя вертикально ориентированный корпус цилиндрообразной формы с фланцами по верхнему и нижнему краям, донную часть, выполненную стаканообразной формы с фланцем на открытом крае для соединения с нижней частью корпуса и полым дном, полость которого сообщена с каналом подвода газообразного азота, а на верхней донной стенке которой размещен керамический фильтр для пропуска через щели указанного азота, крышку для закрепления на верхней части корпуса, выполненную с центральным отверстием и двумя патрубками, один из которых предназначен для вывода газового продукта из полости корпуса, а другой - для засыпки полости корпуса оксида алюминия, нерасходуемый трубчатой формы анод, закрепленный на керамическим изоляторе, установлен в центре крышки, пропущен через центральное отверстие в крышке и расположен коаксиально по отношению к боковой стенке корпуса, при этом на боковой стенке корпуса смонтированы на разной высоте от поверхности керамического фильтра сливные патрубки, плоскость фланца донной части расположена на высоте, равной половине высоты керамического фильтра, а вдоль боковой стенки корпуса расположены нагревательные элементы.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 блок-схема электролизной установки для получения алюминия;
фиг. 2 - электролизная установка в разобранном на модули виде.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается новая конструкция электролизной установки (устройство для электролиза суспензии оксидов металлов в расплавах металлов), позволяющей обеспечить экологически чистый и безопасный способ получения алюминия электролизом суспензии глинозема в расплаве алюминия, в котором используется так называемый распределенный катод - непосредственно сам алюминий в составе электролита - расплава алюминия.
2
3
Получение алюминия методом электролиза суспензии глинозема в расплаве алюминия основан на пропускании в электролите электрического тока между катодом и не расходуемым анодом. При этом процесс электролиза проводят при температуре расплава 700-750°С и постоянном токе между катодом и не расходуемым анодом. Гомогенное распределение частиц глинозема в расплаве алюминия производят барботированием суспензии в электролизной ванне газообразным азотом, а в качестве электролита используется расплав алюминия, который является одновременно распределенным катодом. Суспензию глинозема создают подачей глинозема в расплав алюминия для поддержания соотношения AlO/Al = 2-40 мас %.
Процесс происходит в совмещенной ванне, служащей одновременно и электротермической печью и ванной электролизера (фиг. 1). В рамках полезной модели называется как устройство для электролиза суспензии оксидов металлов в расплавах металлов или электролизная установка.
Электролизная установка представляет собой ковш из нейтрального по отношению к алюминию и алюминийсодержащим сплавам и составам металла, например, из нержавеющей стали. Ковш содержит корпус 1, стенка которого в предпочтительном варианте имеет форму цилиндра, но может быть многогранной или овальной формы в сечении или близкой к цилиндру формы. В верхней и 6нижней зонах корпус 1 выполнен с отбортовками или фланцами, в которых выполнены отверстия для болтовых креплений. К нижней части корпуса (к его фланцу) прикреплена болтовыми элементами 2 донная часть 3. А к верхней части корпуса (к его фланцу) болтовыми элементами 4 прикрепляется крышка 5. В зонах стыковки частей ковша по фланцам предусмотрены элементы герметизации для исключения утечек.
Таким образом ковш представляет собой сборную конструкцию, которую можно по частям монтировать или демонтировать. В реальности металлургические ковши представляю собой практически неразборные конструкции, то есть они собираются из отдельных элементов, которые потом формируют стационарную и неразборную конструкцию. Технологические работы по ремонту или восстановлению с такими ковшами трудоемки, требуют большой затраты времени и после восстановительного ремонта получают, по сути, новый ковш. Реализованный из конструкции как изделие ковш приобретает практически неразборность и работает в условиях, когда внести изменения в изделие уже нельзя.
Заявленная конструкция ковша относится к категории ремонтопригодной и способной к внесению в нее изменений, что достигается выполнением ковша из соединяемых между собой разборными креплениями частей, каждая их которых может быть усовершенствована или заменена.
Донная часть 3 ковша выполнена стаканообразной формы с отбортовкой или фланцем с открытого края для соединения болтовыми элементами 4 с корпусом. Особенностью выполнения донной части 3 является то, что она по форме поперечного сечения повторяет форму такого же сечения корпуса 1. Дно донной части выполнено полым и представляет собой полость, сообщенную через патрубок 6 с каналом подачи азота. На верхней стенке дна, в которой выполнены сквозные отверстия, размещен керамический фильтр 7 с функцией распылителя. Этот фильтр может быть выполнен в виде повторяющего форму дна в плане тела со сквозными отверстиями. Множество этих отверстий обеспечивает прохождение газового агента от патрубка 6 дна через этот фильтр в полость корпуса 1 с одновременным разложением общего потока газового агента на множество струйных потоков при прохождении через отверстия фильтра. Существенным здесь является не конкретное исполнение фильтра, а его функция - дробление потока газового агента на струи и распределение этих струй по площади дна ковша с целью равномерного поступления азота во весь придонный объем расплава. Гомогенно распределенный газовый азот по площади фильтра барботирует объем расплава в ковше.
В качестве такого газового агента используется газообразный азот, который нагнетается в полость донной части через патрубок 6 и при попадании в полость корпуса нагревается до температуры расплава 700-750°С.
Для удобства технологического обслуживания фильтра 7 плоскость разъема донной части проходит примерно на половине высоты этого фильтра. Поэтому при демонтаже донной части фильтр остается открытым и легко может быть изъят и. например, заменен на новый или восстановленный старый. Кроме того, выступающая из донной части 3 часть фильтра 7 выполняет функцию направляющей и позиционирует донную часть относительно корпуса 1 при монтаже/сборке ковша. Донная часть, как и корпус, выполняется из нержавеющей стали или иного металла, невосприимчивого к газообразному азоту.
Для обеспечения равномерного нагрева объема расплава в корпусе 1 и поступающего в полость жидкого азота используется нагревательное устройство, предпочтительно электрического типа (электронагреватель) нагревательные элементы 8 которого расположены со стороны наружной стенки корпуса по всей высоте корпуса.
Снаружи корпус и нагревательное устройство и донная часть обложены шамотным кирпичом, образующим футеровочную рубашку 9 для исключения или уменьшения тепловых потерь при нагреве ковша и для поддержания в расплаве заданной температуры на экономичном по расходу электроэнергии уровне.
Сверху корпус 1 герметично закрыт съемно установленной крышкой 5, ботовыми элементами прикручиваемой к фланцу корпуса 1. На стенке крышки смонтирован подающий патрубок 10 дозатора подачи мелкодисперсного порошка глинозема и выходной патрубок 11 для отвода газов. В выходном патрубке 11 завершается процесс смешивания кислорода, выделяющегося в результате диссоциации глинозема, и азота после барботирования электролита. В результате на выходе газовой смеси в патрубок 11 смесь нейтрализует взрывоопасность кислорода и в общем решается вопрос взрывобезопасности газа, поступающего в магистраль вентиляции.
В центральной части крышки 5 выполнено сквозное отверстия для пропуска анода в полость корпуса 1. Не расходуемый трубчатой формы анод 12 (может быть выполнен из нержавеющей стали) установлен в центре крышки коаксиально (по отношению к боковой стенке корпуса, который размещен на керамическом изоляторе 13 (изолятор используется для исключения контакта анода с корпусом 1). К аноду подведен положительный полюс электропитания.. Анод конструктивно представляет собой полый цилиндр с сквозными отверстиями 14 с боковой стенке, разнесенными по высоте анода с целью перетекания расплава из полости ковша в полость анода и обратно. Анод может быть выполнен цилиндрическим или иметь в поперечном сечении вид многогранника или эллипса или овалообразным. В представленном на фиг. 1 примере исполнения анод закреплен на изоляторе, который болтовыми элементами прикрепляется к крышке с обеспечением изоляции от корпуса. Это позволяет при технологических работах в ковше демонтировать анод без разбора ковша в целом.
Анод может быть покрыт или сделан из любого подходящего нерасходуемого или практически нерасходуемого электропроводного материала, стойкого к воздействию электролита, выделяющегося на аноде кислорода, а также других газов и испарений, присутствующих в электролизере.
На стенке корпуса 1 установлены сливные патрубки 15 и 16 с шаберными перекрывными затворами 17. Первый сливной патрубок 15 установлен на технологическом уровне (примерно в срединной зоне боковой стенки корпуса), этот патрубок используется для слива части расплава алюминия, признаваемого очищенным до установленной нормы. Слив осуществляется так же с целью возобновления процесса электролитической очистки путем засыпки новой порции мелкодисперсного порошка глинозема через патрубок 10. Для полного слива алюминия из корпуса используется сливной патрубок 16, смонтированный непосредственно у дна ковша (выше поверхности фильтра 7 примерно на половину высоты самого фильтра). Полный слив расплава производится при окончании очистки и при постановке ковша на технологическое обслуживание или ремонт.
Для организации процесса электролиза к катоду, которым служит корпус подключается плюс (-) постоянного тока, а к аноду 12 подключается (+) электропитания постоянного тока. Процесс получения алюминия электролизом основан на образовании суспензии оксида алюминия (глинозема) в расплаве электролита. Данный расплав представляет из себя неньютоновскую жидкость, нагретую до температуры 700-750°С. Гомогенность расплава обеспечивается барботажем газообразного азота при температуре расплава равном 700-750°С. Газ поступает в донную часть электролизной ванны внутрь корпуса через керамический фильтр 7, гомогенно распределяющей газовый азот по всей поверхности днищевой части электролизной ванны. Затем, осуществив барботаж расплава, азотный газ смешивается с кислородом, поступающим с не расходуемого анода в смесителе и затем газовая смесь отводится через патрубок 11 в вентиляционную систему. Отработавший в процессе барботирования электролита азот смешивается на выходе с кислородом, отходящим на аноде электролизера, нейтрализуя взрывоопасность кислорода и создает подпор, блокирующий любые не контролируемые выходы из рабочих объемов электролизера.
2
3
Продукты электролиза распределяются на катоде - это алюминий в ванне (распределенный катод) с электролитом, а на аноде - кислород. Алюминий, полученный от разложения оксида алюминия, равномерно распределяется по объему электролита, все время увеличивая долю алюминия и уменьшая процентное соотношения по глинозему. Возникающий дефицит электролита по глинозему компенсируется поступление глинозема от дозатора через подающий патрубок 10, засыпающий потребные порции глинозема по мере слива готового продукта через сливной патрубок 16. Суспензию глинозема создают подачей глинозема в расплав алюминия для поддержания соотношения AlO/Al = 2-40 мас %.
Процесс полного завершения электролиза суспензии глинозема в расплаве алюминия в ванне заключается в том, что остается расплав чистого алюминия. Расплав через сливной патрубок 16 сливаются из ванны для дальнейшего использования (как правило очистки) или полностью или с остатком, на основе которого формируется новый объем суспензии путем добавления в расплав порции алюминия глинозема и возобновлении процесса.
Рассматривая совершенствование конструкции алюминиевых электролизеров за весь период развития алюминиевой промышленности, можно сделать основной вывод, что доминирующим на всех его этапах является рост единичной мощности агрегата при одновременном сокращении трудовых затрат на его обслуживание, снижении расхода электроэнергии, улучшении условии труда и уменьшении вредных промышленных выбросов в окружающую среду. При выборе той или иной конструкции электролизеров для нового алюминиевого завода в первую очередь учитывают эти факторы.
Задача упрощения конструкции заявленного электролизера решается за счет того, что он состоит из трех функционально связанных единым сборочным конструктивным процессом узлов: корпус, крышка и донная часть. Каждый узел представляет собой отдельный модуль, не имеющий самостоятельного функционального применения. Только в сборе все три части образуют устройство электролизной установки (устройства для электролиза суспензии оксидов металлов в расплавах металлов), обладающее возможностью реализации конкретной функции. Выполнение устройства из трех соединяемых в целое частей позволяет упростить процессы изготовления каждой части, процессы демонтажа отдельных частей для их ремонта и замены отдельных узлов на новые или восстановленные. Упрощение конструкции обусловлено не уменьшением количества деталей, а возможность их упрощенного изготовления по сравнению с ковшом, монтируемым как стационарное и неразборное устройство с подвешиванием на рычагах катода.