ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
ELECTROLYTIC CELL FOR PRODUCTION OF ALUMINIUM

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизера для производства алюминия с биполярными электродами.
Известна конструкция электролизера для производства алюминия, авторское свидетельство СССР №199781, в котором углеродистые биполярные электроды подвешены вертикально инертными к электролиту пластинами к электрически изолированным от корпуса электролизера деталям.
Недостатком этой конструкции электролизера является то, что выделяющийся при электролизе глинозема кислород взаимодействует с углеродом анодной поверхности биполярного электрода с образованием парниковых газов. Расход углерода составляет около 500 кг/т алюминия, а выделение парниковых газов около 1,5 т на тонну алюминия. Вследствие сгорания угольного анода межэлектродное расстояние увеличивается и его необходимо периодически регулировать, а при полном сгорании анодной поверхности электрода требуется замена электрода.
Наиболее близким к заявленному изобретению является конструкция электролизера для производства алюминия, содержащая концевые анод и катод, расположенные на противоположных сторонах электролизера и вертикально установленные между ними нерасходуемые биполярные электроды, анодная и катодная части которых соединены вверху и внизу рамой из огнеупорного неэлектропроводного материала, а с боковых сторон - затвердевшим электролитом (настылью) ванны (US Pat. 3930967). Эта конструкция электролизера принята за прототип.
Известная конструкция электролизера позволяет увеличить рабочий ток и производительность электролизера по сравнению с существующими монополярными электролизерами Эру - Холла, сократить электрические потери во внешней цепи. Однако вследствие того, что в этой конструкции биполярные электроды перекрывают все сечение ванны, между электродами образуется серия закрытых, технологически не связанных друг с другом ячеек. В каждой ячейке одновременно протекают процессы электролиза, растворения глинозема и накопления алюминия, требующие выполнения соответствующих технологических операций (питание глиноземом, выливку алюминия, удаление глиноземных осадков и др), что сопряжено с большими затратами труда. Более того, при расстоянии 3-5 см между электродами практически невозможно обеспечить поступление необходимого для электролиза количества глинозема и его однородное распределение в каждой ячейке в отдельности. Недостача глинозема и неоднородное его распределение приведет к ускоренному растворению анодной части биполярных электродов в ячейках с низкой концентрацией глинозема («катастрофической коррозии»), к загрязнению алюминия примесями и к выходу электролизера из строя. С другой стороны, избыток глинозема в ячейках между электродами приводит к появлению глиноземных осадков, нарушающих распределение тока и вызывающих МГД-возмущения (колебания) поверхности жидкого алюминия в ячейках между электродами. Нарушение распределения тока и колебания поверхности алюминия приведет к перегрузкам отдельных электродов и выходу их из строя, а наличие жидкого алюминия в ячейках приведет к локальным утечкам тока мимо биполярных электродов и потерям электрической мощности. По этим причинам известная конструкция электролизера, несмотря на все преимущества применения биполярных электродов по сравнению с монополярными, не нашла практического использования до настоящего времени.
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании конструкции электролизера для производства алюминия, исключающей недостатки прототипа и обеспечивающей устойчивую и продолжительную эксплуатацию электролизера с биполярными электродами.
Техническим результатом является улучшение снабжения глиноземом биполярных электродов, обеспечивающего снижение скорости растворения анодной части электродов, сокращение трудовых затрат на обслуживание электролизера и исключающее отрицательное влияние глиноземных осадков и жидкого алюминия на процесс электролиза.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в конструкции электролизера для производства алюминия, снабженной боковой и подовой футеровкой, содержащей концевые аноды и катоды, размещенные на противоположных сторонах электролизера и вертикально установленные между ними нерасходуемые биполярные электроды, нерасходуемые биполярные электроды, образующие модули электролиза, установлены вдоль оси электролизера рядами, между которыми расположены модули питания ячеек глиноземом и сбора алюминия.
Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные на достижение поставленной цели.
Боковая и подовая футеровка электролизера выполнена из глиноземсодержащего материала и покрыта слоем глубокопрокаленного глинозема, а модуль питания глиноземом расположен над модулем сбора алюминия и отделен от него плитой из огнеупорного, неэлектропроводного материала, например карбида кремния или нитрида алюминия. Биполярные электроды могут быть установлены с наклоном не более 10° к вертикали с опорой в углублениях бортовой и подовой футеровки.
Со стороны модуля питания глиноземом биполярные электроды защищены покрытием из огнеупорного, неэлектропроводного материала.
Расположение нерасходуемых биполярных электродов рядами вдоль оси электролизера позволяет выделить в нем три модуля, в каждом из которых протекает только один процесс: в ячейках между электродами - электролиз глинозема, между рядами электродов над плитой перекрытия - растворение и подача (питание) глинозема в ячейки электролиза, между рядами под перекрытием - сбор и накопление алюминия. Расположение модуля питания глиноземом между рядами электродов создает оптимальные условия для его растворения до концентрации насыщения электролита (температура на 10-15 град выше, чем возле бортов), и его доставки одновременно на оба ряда электродов, во все ячейки электролизера известными установками непрерывного питания глиноземом. При этом загрузка глинозема в количестве, большем, чем требуется для насыщения, в том числе с образованием осадков на плите перекрытия, не повлияет на распределение тока в электродах, так как осадки выделяются в модуле питания глиноземом, через который ток не проходит. Расположение модуля сбора алюминия под модулем питания глиноземом сделает электролизер более компактным и исключит возникновение МГД - воздействия на жидкий алюминий и утечки тока, так как через модуль сбора алюминия ток электролиза тоже не проходит. Выполнение футеровки из глиноземсодержащего материала обеспечит однородность распределения глинозема во всех ячейках электролизера, а поддержание концентрации насыщения электролита глиноземом снизит скорость растворения (расход) анодной части биполярных электродов и обеспечит устойчивую и продолжительную их эксплуатацию и чистоту производимого алюминия. При этом, поскольку осадки глинозема не выделяются в ячейках между электродами, исключается необходимость их чистки от осадков.
Установка биполярных электродов с наклоном не более 10° к вертикали обеспечивает максимально допустимый угол наклона поверхности электрода, обеспечивающий высокую скорость схода газовых пузырьков и исключающий прямой контакт пузырьков кислорода с анода и капель жидкого алюминия с катода соседнего электрода при расстоянии между электродами меньше 5 см.
Биполярные электроды погружены тремя гранями в углубления в глиноземсодержащей футеровке и в засыпку (сверху), а со стороны модуля питания глинозема торцы электродов защищены покрытием из огнеупорного, неэлектропроводного материала. Защита торцевых граней биполярных электродов засыпкой глинозема сверху и глиноземсодержащей футеровкой снизу и сбоку электрода исключает необходимость дополнительной электрической изоляции торцевых граней электрода специальной рамой с целью уменьшения утечек тока и разрушения граней электрода. Ячейки между биполярными электродами открыты для поступления глинозема из модуля питания и не требуют дополнительных трудозатрат на технологическое обслуживание каждой ячейки в отдельности.
Сущность изобретения поясняется эскизом электролизера для производства алюминия (Фиг. 1). Электролизер для производства алюминия содержит концевые аноды 1 и катоды 2, подключенные к токоподводящим шинам 3, два ряда биполярных электродов 4,образующих модули электролиза глинозема. Между рядами биполярных электродов расположен модуль питания глинозема 5, отделенный плитой перекрытия 6 от модуля сбора алюминия 7. Биполярные электроды 4 установлены вертикально в вырезы (пазы) фланцевого листа бортовой футеровки изолированно от металлоконструкций электролизера и частично погружены в углубления глиноземной футеровки катода 8. Глинозем загружается в расплав установкой питания глинозема 9, растворяется и подается в ячейки 10 между биполярными электродами. Наличие глинозема 11 в виде осадков в расплаве модуля питания на плите перекрытия гарантирует устойчивое поддержание концентрации насыщения электролита глиноземом и однородное его распределение в ячейках между биполярными электродами.
Пуск и эксплуатация электролизера осуществляется следующим образом. После установки и закрепления биполярных электродов (верхнюю часть в паз фланцевого листа, изолированно от металлоконструкций катодного кожуха, низ и боковую часть в углубления глиноземной футеровки катода), монтажа питателя глинозема, подину, бортовую футеровку и биполярные электроды нагревают газовыми/мазутными горелками до температуры 750-850°С. После достижения этой температуры в электролизер заливают жидкий электролит известного состава, используемого в промышленных монополярных электролизерах Эру-Холла с известными добавками для снижения температуры ликвидуса и увеличения растворимости глинозема, загружают на поверхность расплава глинозем и включают электролизер под нагрузку. После установления стабильного рабочего напряжения 3,8-4,1 В включают систему питания глиноземом. Управление питанием глинозема осуществляют по времени его потребления, исходя из расчета по фактической силе тока и выходу по току 95-100%. Дополнительно контролируют наличие осадка на плите перекрытия. Выделяющийся на катодной поверхности электрода алюминий стекает по наклонным желобкам между биполярными электродами в модуль сбора алюминия, из которого его выливают вакуумным ковшом. Укрытие верха электролизера криолит-глиноземной шихтой и поддержание уровня и состава расплава осуществляют известным способом для технологии Эру - Холла.
Предлагаемая конструкция электролизера для производства алюминия обеспечит за счет выделения модулей электролиза, питания глиноземом и сбора алюминия устойчивый электролиз с минимальными трудовыми и энергетическими затратами, исключающий отрицательное влияние глиноземных осадков и жидкого алюминия. Увеличится продолжительность эксплуатации электролизера с биполярными электродами и чистота алюминия (не менее 99,5% Al), а также будут получены все преимущества промышленного использования биполярных электродов: исключение расхода углерода и выбросов парниковых газов, увеличение единичной мощности и производительности электролизера по сравнению с монополярной конструкцией. Экономический эффект для завода производительностью 500 тыс. т алюминия в год составит более 100 млн долл. США без учета экономии затрат за счет полного исключения выбросов парниковых газов.