Термохимически стойкий анод для электролиза алюминия
THERMOCHEMICALLY STABLE ANODE FOR ALUMINUM ELECTROLYSIS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к оборудованию для производства алюминия электролизом криолито-глинозёмных расплавов, а именно к конструкции анодного устройства электролизёра.
Известен диффузионно-сваренный несъёмный электрод (Диффузионно-сваренный несъёмный электрод и его использование для электролитического производства металлов и кремния: патент на изобретение № 4468298, Соединенные Штаты Америки, заявка № US 19820451070; заявл. 20.12.1982; опубл. 28.08.1984), который по своей сути представляет собой термохимически стойкий анод и может быть применён для электролиза алюминия. Данный анод, присоединённый при помощи диффузионной сварки к металлической штанге, представляет собой изделие из металлокерамики в виде сплошного или полого цилиндра с днищем.
Недостатком данного технического решения является большое электрическое сопротивление анода, возникающее при его использовании, что обуславливает высокий расход технологической электроэнергии.
Наиболее близким к заявляемому устройству является термохимически стойкий анод для электролиза алюминия (Термохимически стойкий анод для электролиза алюминия: патент на изобретение №2679224, Российская Федерация, заявка № RU 2018112432; заявл. 06.04.2018; опубл. 06.02.2019). Данный анод включает тепло- и электроизоляционный, прицепленный через держатель к металлической штанге колпак, состоящий из боковых и верхней стенок, выполненный из химически стойкого материала, и монометаллический электропроводник, размещённый внутри колпака, покрытый защитным однородным оксидным слоем. Колпак содержит манжет проёма в одной из стенок. Электропроводник имеет в своём составе контактную колодку, расположенную внутри манжета проёма, и примкнутую через токопровод к металлической штанге.
Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком прототипа при использовании расплавленного алюминия в качестве основы электропроводника является повышенный расход технологической электроэнергии, сопряжённый с несовершенством конструкции электропроводника, с ненадежным соединением расплавленного алюминия с токопроводом, и обусловленный нестабильным повышенным электрическим сопротивлением в аноде.
Техническая проблема заключается в создании термохимически стойкого анода с низким расходом технологической электроэнергии, повышенным сроком службы анода.
Технический результат заключается в обеспечении надёжной электрической связи, помещенного внутрь колпака расплавленного алюминия с токопроводом, уменьшении электрического сопротивления в аноде.
Технический результат достигается тем, что в термохимически стойком аноде для электролиза алюминия, включающем тепло- и электроизоляционный колпак с манжетом проёма в его стенке, прикрепленный через держатель к металлической штанге, и размещенный внутри колпака монометаллический, покрытый оксиодным слоем электропроводник с контактной колодкой, размещенный в манжете проёма и соединенной через токопровод с металлической штангой, согласно изобретению электропроводник состоит из расплавленного алюминия с защитным корундовым слоем на его нижней горизонтальной или выпуклой поверхности, удерживаемого внутри колпака посредством разрежения воздуха в находящейся над ним герметичной полости, и выполненных из твердого электропроводного материала, вертикально размещенных продольных и/или поперечных контактных пластин, заглубленных их нижней частью в расплавленный алюминий электропроводника и присоединенных всей верхней кромкой и/или её частью к колпаку и токопроводу, которые прикреплены к штанге, при этом к низу пластин с отверстиями в их нижней и верхней частях приделаны термохимическистойки стойкие электроизоляционные наконечники, соприкасающиеся с алюминием электропроводника, с корундовым слоем и криолито-глинозёмным расплавом, а концы контактных пластин прилегают к стенкам колпака и/или отстоят от них на некотором расстоянии.
Тепло- и электроизоляционный жаропрочный химически стойкий колпак, прикрепленный через держатель к металлической штанге, предохраняет расположенный внутри его расплавленный алюминий от механических воздействий при обслуживании электролизёра и обуславливает сокращение потерь тепла анодом.
Выполнение герметичной полости между стенками колпака в его верхней части и расплавленной основой электропроводникома позволяет поддерживать анодный алюминий внутри колпака в висячем положении посредством разряжания воздуха в замкнутом пространстве анода.
2
3
Использование расплавленного алюминия в качестве основы электропроводника, нижняя поверхность которого защищена от окисления корундовым (α-AlO) слоем, соприкасающимся с криолито-глинозёмным расплавом, позволяет сократить потери технологической электроэнергии и улучшить качество металла, получаемого в процессе электролиза.
Обладающий электронной проводимостью, прочно сцепленный с поверхностью жидкого алюминия корундовый слой не растворяется в прианодной электролито-пузырьковой смеси при содержании в ней глинозёма более 2 мас % и обуславливает увеличении продолжительности эксплуатации заявляемого анода.
Посредством размещенных внутри колпака электропроводных контактных пластин, заглубленных нижней частью в расплавленный алюминий, достигается надежное электрическое соединение токопроводов с алюминием электропроводника и уменьшение расхода технологической электроэнергии.
Отдельные и/или соединенные между собой контактные пластины предопределяют правильное распределение электрического тока в аноде и снижение падения наряжения в нём.
Контактные пластины защищены от окисления и воздействия криотлито-глинозёмного расплава термохимически стойкими электроизоляционными наконечниками.
Контактные пластины с наконечниками укрепляют висячее положение расплавленного алюминия, что обуславливает сокращение его расхода при изготавлении заявляемого анода.
Для устранения перепада разряжения воздуха в отдельных зонах герметичной полости колпака и соответственно перепада уровней анодного алюминия в его отдельных частях контактные пластины изготавливают с отверстиями.
На нижней, заглубленной в алюминий, части контактных пластин расположено защитное покрытие, способное проводить электричество и стойкое к воздействию жидкого алюминия, что значительно увеличивает срок службы анода.
Контактные пластины и/или приделанные к их низу наконечники, переменная высота которых постепенно уменьшается от середины к краям анода, предопределяют увеличение скорости перемещения образующихся в процессе электролиза пузырьков кислорода под наконечниками и уменьшение расхода технологической электроэнергии.
Пузырьки кислорода перемещаются с покатой поверхности корундового слоя под наконечниками, устремляются к периферии анода и после отрыва от краёв колпака всплывают на поверхность электролита.
При увеличении объёма высоты отдельных выпуклостей на алюминии электропроводника, которые расположены ниже горизонтальной плоскости, проведенной через нижние краевые точки колпака и наконечников, увеличивается покатость поверхности корундового слоя и сокращается расход технологической электроэнергии.
Если максимальная высота отдельных выпуклостей превышает ½ расстояния от нижних краевых точек колпака и наконечников до катодного металла, то происходит уменьшение выхода по току, увеличение себестоимости выпускаемой продукции.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. представлены: расплавленный алюминий 1, корундовый слой 2, колпак 3, закрытая полость 4, контактные пластины 5, отверстия 6, токопровод 7, штанга 8, держатель 9, защитное покрытие 10 и наконечники 11.
Верхние части колпака 3 могут быть выполнены из жаропрочной стали и покрыты теплоизоляционной футеровкой, а его нижние стенки и наконечники 11 для контактных пластин, соприкасающиеся с электролитом, с корундовым слоем и с алюминием электропроводника, могут быть выполнены из карбидов или иных прочных, электроизоляционных  материалов, не разрушающихся от воздействий расплава.
Контактные пластины 5 могут быть выполнены из углеродного или иного термостойкого электропроводного материала, не разрушающегося от воздействий расплавленного алюминия.
Защитное покрытие 10 нижних заглубленных в расплавленный алюминий частей металлических пластин 5 может быть выполнено из углеродного и иного материала.
Устройство работает следующим образом.
Агрегатом для электролитического получения алюминия является электролизёр, состоящий из трёх основных частей: катодного устройства, многоанодной системы и токопроводящей ошиновки.
Катодное устройство представляет собой шахту, выполненную из теплоизолированных углеродных подовых и бортовых блоков, заключённых в металлический кожух.
Основными частями многоанодной системы являются несколько отдельных вертикально расположенных штанг, удерживающих термохимически стойкие аноды в висячем положении. Размеры анодов зависят от мощности электролизёра и принятой для него плотности тока, то есть удельной амперной нагрузки на единицу площади анодов.
Подвод постоянного электрического тока к многоанодной системе осуществляется с помощью анодной ошиновки.
Отвод тока от подины катода осуществляется по катодным шинам.
Сборку-монтаж термохимически стойкого анода осуществляют следующим образом.
Во время сборки колпака 3 или после её завершения устанавливают контактные пластины 5 с отверстиями 6, с защитным покрытием 10 и наконечниками 11.
Верхние края контактных пластин 5 полностью или частями прикрепляют к верхней стенке колпака 3, токопроводу 7, соединенному со штангой 8.
Колпак 3 прикрепляют через держатель 9 к штанге 8.
Смонтированную анодную конструкцию устанавливают на подину подготавливаемого к пуску электролизёра или на термостойкую подставку (на чертеже не показано), которая обеспечивает целостность жидкого алюминия 1, залитого через люк (на чертеже не показано) в стенке колпака 3.
С помощью вакуумной установки или эжектора откачивают воздух из герметично закрытой полости 4 через отверстие (на чертеже не показано) в стенке колпака 3 для того, чтобы расплавленный алюминий 1 надежно удерживался внутри колпака 3 при перемещении анода.
3
6
В шахту подготавливаемого к пуску электролизёра заливают жидкий алюминий и поверх его заливают расплавленный криолит (NaAlF) с добавками фторсолей. Нижнюю часть многоанодной системы погружают в криолито-глинозёмный расплав и устанавливают расстояние от нижней поверхности анодов до поверхности катодного алюминия 3,5-5,5 см, при этом с электролитом соприкасаются корундовый слой 2, покрывающий расплавленный алюминий 1, наружные поверхности нижних частей боковых стенок колпака 3 и наконечники 11.
На подключённом к источнику тока электролизёре от анодных шин ток поступает к штанге 8, соединённой с токоппроводом 7. По контактной пластине 5, прикреплённой к токопроводу 7, защитному покрытию 10 и расплавленному алюминию 1  ток подходит к корундовому слою 2, соприкасающемуся с прианодной электролито-пузырьковой смесью. Периодически загружаемый порошкообразный глинозём растворяется в криолито-глинозёмном расплаве, образуя положительно заряженые ионы трёхвалентного алюминия и отрицательно заряженные оксифторидные комплексные ионы. Катионы движутся к катоду и присоединяют к себе электроны, превращаясь в атомы алюминия. Анионы независимо от их строения движутся к аноду  и отдают избыточные электроны, выделяя кислород в виде газовых пузырьков.
В процессе электролиза на соприкасающейся с криолито-глинозёмным расплавом поверхности анодного алюминия 1 с низким содержанием примесей выделяются атомарный и молекулярный кислород, который взаимодействует с металлом 1 по следующей реакции:
2
2
3
2
3
4Al+3O(+20) =2AO(кристаллы α-AlO)
Покатность поверхности прочного, электрохимически активного корундового слоя 2 (объем и высоту отдельных выпуклостей расплавленного алюминия 1) устанавливают посредством подбора величины разряжения воздуха в полости 4, при которой достигается минимальное падение напряжения в межэлектродном пространстве электролизёра и постоянство выхода по току.
Выше приведен частный вариант реализации изобретения, что не исключает иных вариантов реализации в рамках заявляемого изобретения (например, внутрь колпака вначале помещают часть алюминия в твёрдом виде, а затем заливают его остальную часть).
Изобретение поясняется примером.
Испытания малогабаритного образца заявляемого устройства проводили более 23 суток на крупнолабораторном алюминиевом электролизёре с углеродным самообжигающимся анодом и верхним токпроводом на силу тока 6,1 кА.
В период испытаний образца температура электролита, содержавшего 2,0-5,1 мас. % глинозёма, составляла 970-975°C.
Колпак данного образца и наконечники пластин изготовлены из диборида титана, а электропроводник изготовлен из расплавленного алюминия с низким содержанием примесей, нижняя поверхность которого покрыта корундовым слоем, и медных пластин, имеющих графитовое покрытие и отверстия.
2
При пропускании через образец предлагаемого анода постоянного электрического тока плотностью 1,1 А/см на поверхности электрохимически активного корундового слоя происходит разряд анионов и выделение кислорода.
Рельефность поверхности оксидного слоя, зафиксированная до и после испытаний образца анода, практически не изменилась.
Зависящая от температуры процесса электролиза и анодной плотности тока толщина корундового слоя, покрывающего расплавленную часть электропроводника может достигнуть 0,01 и более см.
2
6
3-
В процессе электролиза однородный имеющий исключительно большое сцепление с поверхностью расплавленного алюминия корундовый слой электропроводника не расходуется в связи с тем, что при содержании глинозёма в расплаве 2,0-5,1 мас. % электролито-пузырьковая смесь насыщена громоздкими оксифторидными комплексными анионами, O, O, а концентрация анионов AlF, являющихся растворителем окислов, незначительная.
В таблице приведены величины себестоимости производства алюминия, рассчитанные на основании результатов испытаний малогабаритного образца термохимически стойкого анода, в сравнении с величинами себестоимости получения алюминия, относящимися к применению прототипа.
Таблица - себестоимость производства алюминия
№ п/п
Наименование
Прототип (анод из железа, покрытого корундом)
Предложенный термохимически стойкий анод
1
Электрическая энергия, расходуемая на процесс электролиза (технологическая) и на обслуживание механизмов, установок (силовая), а также на изготовление анодов, %
22,6
20,2
2
Глинозём и сырье, применяемое при электролизе, %
40,3
40,3
3
Материалы и рабочая сила, %
21,1
18,3
4
Себестоимость одной тонны первичного аллюминия, долл. США
1068
1045
Практическое применение предлагаемой конструкции анода выгодно, так как повышаются технико-экономические показатели производства алюминия.
Использование заявляемого устройства при содержании глинозёма в электролите более 2 мас. % и температуре процесса электролиза 920-970°C даёт по сравнению с прототипом следующие преимущества: электрическое сопротивление электропроводника существенно снижается и увеличивается продолжительность эксплуатации анода.