ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В РАСПЛАВАХ

Полезная модель устройства относится к электрохимии, и может быть использована для проведения электролиза расплава, особенно в тех электрохимических процессах, где происходит интенсивное разрушение электродов под действием агрессивной среды, например, при получении тугоплавких металлов, щелочных металлов и в других электрохимических технологиях из расплавов, в частности самом масштабном - производстве алюминия.
Предполагаемая полезная модель относится к области электролиза расплавленных сред для получения металлов, имеющих наиболее электроотрицательные электродные потенциалы. К примеру, в современном производстве алюминий получают электролизом раствора окиси алюминия в расплавленном криолите (Федотьев Н.П. Прикладная электрохимия, Л.: Химия, 1967. - С.256-284).
Известен электролизер для получения алюминия введением в ванну подлежащих переплавке крупногабаритных алюминий содержащих отходов, содержащий самообжигающийся анод и футерованный катод, причем анод установлен в шахте ванны со смещением в сторону входного торца по ходу тока, причем соотношение расстояний борт-анод в выходном и входном торцах электролизера составляет 1,8-2,2. (Патент РФ №2023057, МПК С25С 3/06, опубл. 1994 г.)
Известен электролизер для получения алюминия, включающий анодный узел, катодный узел, футерованную ванну, оксидник со стенками, в которых выполнены сквозные циркуляционные каналы, расположенные на уровне подошвы рабочих анодов (А.с. №1411355 СССР, МПК С25С 3/06, опубл. 1988 г.).
Известен электролизер, включающий ванну с электролитом, электроды и устройство питания, формирующее переменное магнитное поле, источник постоянного магнитного поля, обмотки которого подсоединены к электродам (А.с. №1250599, МПК С25С 3/06, опубл. 1986 г.).
К общим недостаткам этих электролизеров можно отнести значительные потери электроэнергии за счет большой величины тока в электрической цепи, питающей электролизер и плохая стойкость материала электрода к агрессивной среде расплава.
Известно устройство, в котором использованы жидкостные электроды [см. патент на полезную модель RU №81189, МПК 2006.01 C25F 1/48, С25В 9/00, С25В 11/00 от 22.09.2008, опубл. 10.03.2009 г.]. Оно содержит трансформатор для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), первичная обмотка которого подключена к сети переменного тока, а вторичные обмотки выполнены из диэлектрических трубок, намотанных попарно бифилярно, заполненных электролитом и соединенных соответственно с входными и выходными патрубками смесителя, который соединен с патрубками устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока), выполненного на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, а также электрохимическую ячейку. Электрохимическая ячейка разделена ионообменными мембранами на электродные камеры: анодную и катодную для прокачки электролита с входными и выходными патрубками и рабочие камеры: для получения католита с выходным патрубком, для получения анолита с выходным патрубком, центральную для получения деионизованного раствора с входным и выходным патрубками. Электродная катодная камера электрохимической ячейки, соединенная через насос с соответствующими вторичными обмотками трансформатора образует катодный гидравлический контур. Анодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) через насос с электродной анодной камерой электрохимической ячейки. В частном случае электролит, заполняющий гидравлические контуры представляет собой насыщенный раствор NaCl. Данное устройство является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту.
Недостатком данного устройства является: невозможность использования электролизера такого типа для реализации электрохимических процессов в расплавах при высоких температурах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство [Патент «Электролизер» Попов Ю.П., Южанников А.Ю., Тимофеев В.Н. RU №2244765 С1 от 21.08.2003 опубл. 20.01.2005 г.], представляющее собой электролизер, содержащий емкость для электролита, электроды, индуктор для вращения и нагрева электролита и источник магнитного поля, при этом емкость для электролита установлена в зазоре магнитопровода источника магнитного поля, стенки емкости выполнены электропроводными и являются электродом, второй электрод расположен в емкости и соединен с ее стенками токопроводом, а дно является диэлектриком. Данное устройство является наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту, поэтому выбрано за прототип. Основным недостатком является то, что данное устройство позволяет работать только с расплавами чистых металлов (переплавка лома) и не может работать со сложными электролитами, такими как сырье для получения алюминия.
2
В основу полезной модели положена задача создания такого устройства, которое позволит значительно уменьшить потери электроэнергии в питающей сети и повысить стойкость конструкции электролизера к жестким условиям агрессивной среды расплава. При этом электролиз проходил на асимметричном переменном токе с частотой 1132 Гц и при удельной плотности тока 1-2 А/см.
Технической задачей, для решения которой предлагается полезная модель устройство, является реализация способа электрохимического получения алюминия с использованием переменного тока, которая, по сравнению с существующими способами, обеспечит следующие преимущества по основным технико-экономическим показателям:
- эффективности и устойчивости процесса,
- возможности работы в агрессивных средах и сложных электролитах,
- повышению производительности электролизера и увеличению срока его службы,
- снижению энергетических затрат.
Поставленная задача решается тем, что в электролизере, включающем диэлектрический, керамический корпус, в нижней части которого, помещается емкость для расплава полученного металла, являющийся катодом, а в верхней части находится расплавленный электролит; два независимых керамических витка вторичной обмотки трансформатора, через которые электромагнитными насосами прокачивают расплав металла, одновременно являющиеся анодами; индуктор для вращения и нагрева расплава, бункер для исходной шихты, шибер для загрузки исходной шихты, два устройства (левое и правое) для формирования постоянной составляющей напряжения (тока), шибер для выпуска расплава металла, емкость для транспортировки расплавленного металла и источник питания электролизера переменным асимметричным током регулируемой частоты.
На фиг.1 показан заявляемый электролизер в двух проекциях. Электролизер содержит обмотку индуктора - 18 для нагрева и вращения, диэлектрический керамический корпус - 1, в нижней части которого, располагается емкость для расплава - 2, а в верхней части, емкость для электролита - 3, первый керамический виток - 4 вторичной обмотки трансформатора - 5, второй керамический виток - 6 вторичной обмотки трансформатора - 7, электромагнитные насосы - 8, первичную обмотку - 9 трансформатора - 5, первичную обмотку - 10 трансформатора 7, в верхней части емкости - 3 находится электролит - 11, а в нижней части емкости - 3 находится расплав - 12, бункер для исходной шихты - 13, шибер для загрузки исходной шихты - 14, левое и правое устройства для формирования постоянной составляющей - 15, шибер для выпуска расплава металла - 16 в емкость для транспортировки - 17, вход потока расплава в левое устройство для формирования постоянной составляющей тока - 19, направление потока расплава и вход в левый электромагнитный насос - 20, вход потока расплава в правое устройство для формирования постоянной составляющей - 21, направление потока расплава и вход в левый электромагнитный насос - 22.
Переменное напряжение сети подается на первичную обмотку W1 трансформатора устройства 1 для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока). На всех вторичных обмотках наводится (индуцируется) напряжение, причем величина этого напряжения будет равна:
1
2
1
2
1
U=U=UW/W,
1
2
где W=W - число витков в каждой из вторичных обмоток. Формы токов и напряжений представлены на фиг.2.
Устройство работает следующим образом:
Для запуска установки необходимо заполнить объем расплавом металлолома выплавляемого металла. При подключении обмоток индуктора 18 к переменному многофазному напряжению образуется вращающееся магнитное поле, приводящее расплав электролита, находящийся в емкости 2 во вращательное движение со средней угловой скоростью Ω и нагревающее электролит. Далее включаются электромагнитные насосы при одновременном подключении первичных обмоток 9 и 10 трансформаторов 5 и 7 к источнику напряжения U, и таким образом, запускается процесс электролиза. Затем из бункера - 13 в зону электролиза подается исходная шихта через шибер - 14, при протекании тока I в расплаве электролита в емкости 2 осуществляется электролиз. Рабочий режим поддерживается регулировкой скоростью прокачки расплава насосами - 8 и величиной плотности тока. Для предотвращения короткого замыкания необходимо периодически прерывать струю расплавленного металла для чего в цепь вторичного витка силовых трансформаторов - 5 и 7 включается специальное устройство.
2
2
2
6
6
Электролизер позволяет увеличить напряжение внешнего источника электрического тока во много раз по сравнению с режимом на постоянном токе, поскольку осуществляется индукционный токоподвод (вторичной обмоткой является виток расплавленного металла) исключающий большие омические потери при низком питающем электродную систему электролизера напряжении - порядка 5 В и значительно уменьшить потери электроэнергии в питающей сети. Это объясняется следующим: величина питающего напряжения питания U (например, электролизера для получения алюминия) составляет 5 В, а в нашем случае можно осуществлять питание индукторов на напряжении 10-20 кВ, что в 2000-4000 раз выше напряжения электролиза алюминия, отсюда следует, что потери электроэнергии в питающей сети ΔР=U/R уменьшаются пропорционально квадратичной зависимости подводимого напряжения, где R - сопротивление питающей сети, то есть в (2000)-(4000) или 4 10-16 10 раз.
Отличительные признаки заявляемой полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают указанный выше технический результат. Это достигается использованием жидкостных электродов, роль которых выполняют соответствующие камеры электрохимической ячейки и индукционным токоподводом. При этом вторичные обмотки трансформаторов представляют керамические, полые полукольца, по которым циркулирует расплав при помощи электромагнитных насосов являются анодами относительно катода, которым является емкость для расплава. Это позволяет исключить обычные электроды, используемые в электрохимических технологиях, и тем самым предотвратить разрушение этих электродов, а значит повысить эффективность электрохимического процесса.