ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ХЛОРА
ELECTROLYSER FOR OBTAINING MAGNESIUM AND CHLORINE

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к конструкции электролизера для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей.
Известно анодное перекрытие бездиафрагменного электролизера для получения магния и хлора (авт. свид. СССР №377414, опубл. 17.04.1973, бюл. №18), выполненное из двух частей, стационарной и съемной, причем съемная часть смонтирована и герметизирована на стационарной части через слой сыпучего материала. Стационарная часть перекрытия выполнена из железобетона с проемами, в которых установлены свободно аноды. Съемная часть изготовлена из бетона, в который заливают один, два или группу анодов в виде анодного блока. На стационарное перекрытие засыпают слой сыпучего материала, например мелкокристаллический фторид кальция, и после установки анодных блоков в проем стационарного перекрытия между съемными перекрытиями засыпают герметизирующий слой сыпучего материала. Проем перекрытия в месте установки в него анодного блока выполнен со скосом и в этом месте залит бетоном. Это позволяет упростить и ускорить операцию замены анодов, производить сборку и центровку анодов на стенде, применить блочный метод замены анодов, увеличить срок службы стационарного перекрытия, улучшить герметизацию ввода анодов.
Недостатком данной конструкции электролизера является то, что аноды установлены в перекрытии на стационарной части с проемами, в которых происходит разрушение анодных головок от воздействия реакционных газов, поступающих из электролитического отделения, что значительно снижает срок их службы и всего электролизера в целом. В зазоры в стационарном перекрытии поступает воздух и окисляет магний с образованием шлама, который необходимо постоянно удалять из электролизера в процессе электролиза. Это приводит к большим трудозатратам и к снижению выхода магния по току. Установка на перекрытии съемной части слоя из сыпучего материала также не позволяет герметизировать электролизер из-за непрочности покрытия из сыпучего материала, он осыпается с перекрытия, слой становится неравномерным и нарушается герметичность перекрытия.
Известен бездиафрагменный электролизер для получения магния (авт. свид. СССР №293868, опубл. 26.01.1971, бюл. №6), включающий ванну, футерованную изнутри огнеупорным материалом с продольными и торцевыми стенками, перегородку, разделяющую ванну на сборную ячейку и электролитическое отделение, с размещенными в нем катодами и анодами, установленными сверху через перекрытие электролизера и скрепленными в анодные блоки, токоподвод в виде чугунной заливки. Анод вместе с токоподводом в верхней части залит жароупорным бетоном и представляет собой отдельный блок, который образует перекрытие, установленное одним концом на продольную стенку ванны, а между собой блоки (балки) образуют проем, заполненный жаропрочной замазкой, а перекрытие сверху засыпано теплоизоляционным материалом, на который устанавливают съемные плиты. Сверху сборной ячейки установлено укрытие. Благодаря такой конструкции электролизера снижаются теплопотери через верхнюю часть электролизера, что уменьшает расход электроэнергии и улучшает условия обслуживания. При смене анодного блока происходит непрерывное обновление перекрытия, что увеличивает срок службы электролизера.
Недостатком данной конструкции электролизера является то, что в перекрытие установлен и токоподвод, что приводит к повышенной теплоизоляции и к увеличению температуры графитового анодного блока до 400-500°C. Это приводит к разрушению анодов, к снижению срока службы электролизера и к увеличению расхода графитового материала. Кроме того, предложенная теплоизоляция электролизера снижает теплоотдачу, что приводит к снижению токовой нагрузки на электролизер и к снижению его производительности. Данная конструкция не нашла применения в промышленной практике производства магния и хлора.
Известен электролизер для получения магния и хлора (патент РФ на полезную модель №90074, опубл. 27.12.2009, бюл. №36), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий ванну с продольными и торцевыми стенками, футерованную изнутри огнеупорным материалом, перегородку, разделяющую ванну на сборную ячейку и на одно или несколько электролитических отделений, с размещенными в нем катодами и анодами, установленными сверху через перекрытие электролизера и скрепленными в анодные блоки, токоподвод в виде медной шины. К верхней части анодных блоков прикреплены съемные огнеупорные блоки (балки), которые образуют перекрытие с проемами, заполненными огнеупорным материалом в виде молотого фторида кальция или смесью жидкого стекла и шамотной крошки. Анодный блок по периметру выполнен с рифленой поверхностью на высоту, равную 0,05-0,11 высоты анодного блока, и на расстоянии, равном 0,13-0,18 от верха анодного блока, по высоте рифленой поверхности анодного блока установлен огнеупорный материал с образованием съемных огнеупорных балок со скосами по сторонам. Проемы в перекрытии выполнены V-образной формы с углом скоса, равным 4-10° от вертикали.
Недостатком данной конструкции электролизера является то, что установка огнеупорных балок на рифленой поверхности анодного блока не нашла промышленного применения из-за разрушения анодов в месте соединения: огнеупорный материал - рифленая поверхность анода в процессе работы электролизера. Из-за разности коэффициентов температурного расширения огнеупорного материала и графита вдоль плоскости анода нарушается герметичность соединения графита с огнеупорным материалом, появляются трещины, сколы, изломы. В результате происходит подсос воздуха в электролитические отделения, магний окисляется, что приводит к снижению выхода магния по току и к увеличению шламообразования в электролизере. Кроме того, изготовление рифленой поверхности на анодном блоке из-за хрупкости графитового материала, из которого изготовлен анодный блок, является трудоемким, приводит к большим трудозатратам. Конструкция укрытия сборной ячейки также не позволяет полностью герметизировать сборную ячейку от попадания воздуха, что приводит к окислению магния кислородом воздуха в сборной ячейке, к снижению выхода магния по току и к увеличению трудоемкости процесса за счет повышенного шламообразования в сборной ячейке.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет за счет создания прочной конструкции перекрытия, за счет герметизации электролитического отделения и сборной ячейки снизить попадание воздуха в электролизер и тем самым уменьшить взаимодействие магния с кислородом воздуха и образование оксида магния, снизить образование шлама.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение потерь магния и тем самым повышение выхода магния по току, снижение потерь хлора и уменьшение шламообразования, что снижает затраты на его удаление из электролизера, затраты на дальнейшую его переработку, утилизацию и хранение. Кроме того, это позволит также снизить количество твердых отходов в 2 и более раза.
Поставленная задача решается так, что в электролизере для получения магния и хлора, включающем ванну с продольными и торцевыми стенками, футерованную изнутри огнеупорным материалом, перегородку, разделяющую ванну на сборную ячейку и на одно или несколько электролитических отделений, с размещенными в них катодами и анодами, скрепленными в анодные блоки, к которым жестко прикреплены огнеупорные балки, укрытие сборной ячейки и токоподвод, новым является то, что он дополнительно снабжен угловыми профилями, установленными под токоподводом и жестко прикрепленными вертикальной стороной к анодному блоку с двух сторон, к горизонтальной стороне углового профиля снизу жестко прикреплена арматура и установлена огнеупорная балка, ширина верхней стенки которой равна горизонтальной стороне углового профиля; а укрытие сборной ячейки выполнено по всей ее длине в виде двух Г-образных профилей, жестко скрепленных металлической стяжкой, под которой размещен огнеупорный материал высотой, равной высоте вертикальной стороны профиля, и установлено горизонтальной стороной Г-образных профилей с одной стороны на продольной стенке сборной ячейки, а с другой стороны на перегородке.
Кроме того, угловые профили прикреплены к анодному блоку с помощью болтов.
Кроме того, в качестве материала для огнеупорной балки использован жаростойкий бетон.
Кроме того, на анодных блоках выполнены не более трех горизонтальных каналов.
Кроме того, в качестве огнеупорного материала укрытия использован жаростойкий бетон.
Кроме того, укрытие сборной ячейки разделено на три части, причем две части - одинаковой длины, а третья часть выполнена меньших размеров.
Кроме того, соотношение каждой части укрытия к длине сборной ячейки равно, как (0,38-0,42):1, (0,38-0,42):1, (0,16-0,24):1.
Кроме того, в третьей части укрытия выполнено технологическое отверстие с крышкой.
Применение угловых профилей, установленных под токоподводом и жестко прикрепленных вертикальной стороной к анодному блоку с двух сторон, прикрепление с помощью сварочного соединения к горизонтальной стороне углового профиля снизу арматуры, на которые установлена огнеупорная балка, ширина верхней стенки которой равна горизонтальной стороне углового профиля, позволяют создать более надежное крепление огнеупорных балок на анодных блоках электролизера и исключить разрушение анодных блоков в местах крепления огнеупорных балок. Наличие горизонтальных каналов на анодных блоках позволяет получить герметичное соединение, которое позволит уменьшить попадание воздуха в электролитическое отделение электролизера и тем самым снизить окисление магния, повысить выход магния по току, уменьшить шламообразование и снизить трудозатраты на удаление шлама из электролизера.
Выполнение укрытия сборной ячейки определенной конструкции, а именно использование двух Г-образных профилей, жестко скрепленных стяжкой, под которой размещен армированный жаростойкий бетон высотой, равной высоте вертикальной стороны профиля, и установка горизонтальной стороной Г-образных профилей с одной стороны на продольной стенке сборной ячейки, а с другой стороны на перегородке, позволяет герметизировать сборную ячейку, снизить подвод воздуха к магнию и тем самым снизить окисление магния, повысить выход магния по току, уменьшить шламообразование и снизить трудозатраты на удаление шлама из электролизера.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве - электролизере для получения магния и хлора, изложенных в пунктах формулы изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Заявленные признаки являются новыми и не вытекают явным образом для специалиста, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.
На фиг.1 показан план электролизера, на фиг.2 - поперечный разрез электролизера, на фиг.3 - вид анодного блока с огнеупорным перекрытием, фиг.4 - поперечный разрез анодного блока, фиг.5 - вид сверху укрытия сборной ячейки, фиг.6 - одна из первых и вторых частей укрытия, фиг.7 - третья часть укрытия сборной ячейки.
Электролизер для получения магния и хлора включает ванну 1, содержащую продольные 2 и торцевые 3 стенки, футерованную огнеупорным материалом 4 и разделенную перегородкой 5 с переточным каналом 6 на сборную ячейку 7 и на электролитическое отделение 8, в котором размещены чередующиеся между собой катоды 9 и аноды 10, скрепленные в анодные блоки 11 с горизонтальными каналами 12, токоподвод 13, огнеупорную балку 14, угловой профиль 15 с вертикальной стороной 16 и горизонтальной стороной 17, болты 18, арматуру 19, огнеупорный материал 20, патрубок для отвода хлорсодержащих газов 21, укрытие 22, Г-образные профили 23 с вертикальной стороной 24 и горизонтальной стороной 25, металлическую стяжку 26, огнеупорный материал 27, первую часть укрытия 28, вторую часть укрытия 29, третью часть укрытия 30 с технологическим отверстием 31, закрытым крышкой 32.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример работы электролизера.
Герметичный однорядный электролизер для получения магния и хлора выполнен на силу тока 172 кА и выходом магния по току 82-84% с одной фронтальной сборной ячейкой 7. На монтажном участке проводят изготовление анодного блока 11 с огнеупорной балкой 14. Для этого графитовые аноды 10, изготовленные по ТУ У 31.6-00196204-0,04 «Аноды и брусья графитированные для магниевой промышленности», склеивают в анодные блоки 11, состоящие из трех или четырех анодов 10, с помощью кладочного раствора. По периметру анодных блоков 11 наносят три горизонтальных канала 12. Сверху на анодный блок 11 с помощью болтов крепят токоподвод 13 в виде медной шины. Под токоподводом 13 с помощью болтов 18 к анодному блоку 11 с двух сторон крепят вертикальной стороной 16 угловой профиль 15, размером 100×100 мм. К горизонтальной стороне 17 углового профиля 15 приваривают арматуру 19 и заливают огнеупорную балку 14 из огнеупорного материала 20, например жаростойкого бетона, в форме трапеции, ширина верхней стенки которой равна горизонтальной стороне 17 углового профиля 15. В перегородке 5 выше входного отверстия отливают из огнеупорного материала переточный V-образный канал 6. На продольную стенку 2 и перегородку 5 над электролитическим отделением 8 устанавливают в ряд несколько конструкций анодного блока 11 с огнеупорной балкой 14. На сборную ячейку 7 устанавливают укрытие 22, состоящее из трех частей, причем две части 28 и 29 выполнены одинаковой длины по 2 метра, а третья часть 30 укрытия 22 выполнена размером, меньшим или равным 1,4 м. Соотношение каждой части укрытия 22 к длине сборной ячейки 7 равно, как 0,4:1, 0,4:1, 0,2:1. Укрытие 22 изготавливают на монтажном стенде в виде двух Г-образных профилей 23, жестко скрепленных путем сварки металлической стяжкой 26, под которой размещен огнеупорный материал 27 из жаростойкого бетона высотой, равной высоте вертикальной стороны 24 Г-образного профиля 23. Каждую часть укрытия 22 устанавливают с помощью крана горизонтальной стороной 25 Г-образных профилей 23 с одной стороны на продольную стенку 2 сборной ячейки 7, а с другой стороны на перегородку 5. В третьей части 30 укрытия 22 выполнено технологическое отверстие 31 трапециевидной формы, укрытое крышкой 32. С противоположной стороны к катоду 9 жестко приваривают экран и штангу и устанавливают вплотную к продольной стенке 2 ванны 1. В сборную ячейку 7 электролизера через технологическое отверстие 31 заливают с помощью вакуум-ковша расплавленный хлорид магния. По каналу под нижней частью перегородки 5 расплавленный хлорид магния поступает в электролитическое отделение 8 ванны 1. Под воздействием постоянного электрического тока, подаваемого на катоды 9 через штанги и аноды 10 по токоподводу 13, хлорид магния разлагается на хлор и магний. Образующиеся на поверхности анода 10 пузырьки хлора движутся вверх и создают восходящий поток электролита в межэлектродном расстоянии. Достигнув поверхности, пузырьки хлора отрываются от электролита выше уровня магния и направляются в пространство к верхней части продольной стенки 2 ванны 1. Хлор выводят через патрубок 21 для отвода хлорсодержащих газов, а поток электролита с магнием из электролитического отделения 8 через переточный канал 6 перегородки 5 возвращают в сборную ячейку 7. Магний извлекают из сборной ячейки 7 с помощью вакуум-ковша и направляют потребителю.
Таким образом, предложенная конструкция электролизера для получения магния и хлора позволяет за счет создания прочной конструкции перекрытия, а также за счет исключения попадание воздуха в электролитическое отделение, и за счет герметизации электролитического отделения и сборной ячейки уменьшить взаимодействие магния с образованием оксида магния, снизить образование шлама, уменьшить потери магния и тем самым повысить выход магния по току, снизить потери хлора и уменьшить шламообразование, что снижает затраты на удаление шлама из электролизера, затраты на дальнейшую его переработку, утилизацию и хранение. Кроме того, это позволит также снизить количество твердых отходов в 2 и более раза, снизить выбросы хлора в атмосферу в 10-20 раз.