ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
ELECTROLYSER FOR ALUMINIUM PRODUCTION

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизеров для получения алюминия.
Известен электролизер [1], содержащий катодное устройство и анодное устройство. Катодное устройство содержит ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными токоподводами, заключенными в металлический кожух. Между металлическим кожухом и угольными блоками размещены огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Анодное устройство содержит угольные аноды, соединенные с анодной шиной. Аноды размещены в верхней части ванны и погружены в расплавленный электролит.
Недостатком известной конструкции электролизера является то, что разработанные для нее технологии характеризуются весьма высоким удельным расходом энергии W, определяемым уравнением
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>v</mi><mrow><mi>k</mi><mi>η</mi></mrow></mfrac></mrow>
, где V - напряжение на ванне, В; η - выход по току, k - электрохимический эквивалент [кг/кА*ч].
Обычно в технологиях получения алюминия W=13-15 кВтч/кг металла. Однако этот расход энергии приблизительно в 2 раза больше, чем предсказываемый теоретически. Для этого есть две причины:
1. В напряжении V большую часть занимает омическое падение напряжения в электролите, определяемое величиной межэлектродного (межполюсного) зазора (МПЗ). Обычно это расстояние составляет около 5 см;
2. Выход по току η снижается при резком увеличении взаимодействия (так называемое «обратное взаимодействие») анодных продуктов (углекислого газа) и катодных продуктов (растворенного алюминия) при увеличении магнитогидродинамического (МГД) перемешивания (циркуляции) металла и электролита (МГД циркуляция расплава увеличивается при уменьшении МПЗ, как результат увеличения сил взаимодействия горизонтальных составляющих тока в расплаве и магнитного поля).
Таким образом, одним из важнейших недостатков вышеуказанной конструкции является относительно высокое омическое сопротивление МПЗ и высокий расход энергии.
Известен электролизер для производства алюминия ([2], фиг.1), состоящий из анодного токоподвода, угольного анода, угольного катода с расположенными под анодом дополнительными элементами «грибами», сделанными из диборида титана, изоляции, электролита, жидкого алюминия, блюмсов. Конструкция служит для уменьшения МПЗ и, тем самым, для снижения напряжения V и удельного расхода энергии.
Недостатком этой конструкции электролизера является малая термомеханическая и химическая стойкость «грибов», сделанных из диборида титана, особенно на границах металл-электролит; сложность прикрепления «грибов» к подине и невозможность осуществления такого прикрепления в ныне действующих электролизерах, малая площадь контакта «гриба» с угольной подиной, а также относительно высокая стоимость и невозможность оперативного удаления «грибов» из межэлектродного зазора при необходимости, например опускания анода на катод.
Известен электролизер для производства алюминия, принятый за прототип ([3]), включающий катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными катодными токоподводами, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, отличающийся тем, что на угольной подине под каждым из анодов расположены тумбы с более высокой удельной электропроводностью, чем электролит, стойкие к разрушению в криолитоглиноземных расплавах и жидком алюминии, причем верхняя поверхность тумбы выступает выше уровня катодного алюминия, а тумбы выполнены с возможностью перемещения и/или замены при необходимости.
Недостатками известной конструкции электролизера являются:
относительно большой объем пространства в МПЗ, занимаемый тумбами, вес и стоимость ТУМБ, сложности перемещения и/или замены тумб при необходимости. В случае необходимости использования утяжелителей, расположенных внутри тумбы, например чугунной «гири» или заливки, это может снижать надежность конструкции вследствие разности коэффициентов термического расширения материалов, а также проникновения электролита через поры тумбы к материалу утяжелителя, приводя к его преждевременной коррозии и загрязнению катодного металла. Затруднительна возможность автоматического регулирования вертикального перемещения тумбы при изменении толщины слоя катодного металла. Тумбы недостаточно уменьшают горизонтальные составляющие катодного тока и МГД перемешивание расплава.
Задача изобретения - снижение удельного расхода энергии за счет уменьшения омического сопротивления и падения напряжения в МПЗ, повышения выхода по току вследствие уменьшения горизонтальных составляющих катодного электрического тока в расплаве, увеличения гидродинамического сопротивления для движения расплава у границы алюминий-электролит, уменьшения магнитогидродинамического (МГД) перемешивания расплава и «обратных» реакций металла с анодными газами, а также удобства расположения дополнительных элементов в МПЗ на подине и возможности их оперативного и автоматизированного перемещения и/или удаления из межэлектродного зазора (МПЗ) при необходимости, например опускания анода на катод, и уменьшение стоимости конструкции.
Технический результат заключается в создании конструкции алюминиевого электролизера, включающего катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными токоподводами, заключенных в металлический кожух, с размещенными между металлическим кожухом и угольными блоками огнеупорными и теплоизоляционными материалами, анодное устройство, содержащее угольные аноды, соединенные с анодной шиной, размещенные в верхней части ванны и погруженные в расплавленный электролит, в котором, согласно предлагаемому решению, на поверхности подины и/или в пространстве между анодом и катодом, под каждым из анодов, размещены перегородки и/или решетки из огнеупорного материала, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры из углеродного или огнеупорного материала, заполненные или пропитанные полностью или частично алюминием, с равномерной или с анизотропной проводимостью, большей по оси анод-катод и меньшей в перпендикулярном направлении, из материала менее электропроводного, чем алюминий, перпендикулярно и/или под углом от ±45° до ±90° к плоскости подины, перпендикулярно и/или под углом от ±45° до ±90° к продольной оси катодных стержней, уменьшающие горизонтальные составляющие катодного тока вдоль подины в слое расплава. Вследствие демпфирования горизонтальных токов в расплаве, уменьшается МГД циркуляция и возможно уменьшить МПЗ между анодом и катодом, т.е. уменьшить удельный расход энергии и/или увеличить выход по току.
Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры имеют высоту, одинаковую и/или неодинаковую в зависимости от их места расположения на подине, а также ниже и/или выше уровня металла, или на границе металл-электролит, определяемую с помощью соответствующего критерия оптимальности распределения электрических потенциалов и токов, т.е. в зависимости от конкретной цели: например, уменьшение межполюсного расстояния (МНР), уменьшение энергозатрат; и/или увеличение выхода по току и т.п.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры выполнены с возможностью перемещения и/или замены, при необходимости.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры опираются на поверхность катода, либо приклеены к катоду, либо плавают у поверхности раздела сред алюминий-электролит.
Смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры имеют анизотропную проводимость больше по оси анод-катод и меньше в перпендикулярном направлении.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры изготовлены из углеродных блоков, в частности из отходов в виде боя стандартных подовых блоков, обожженных анодов и/или электродов, карбида кремния и/или материала типа ANAPLAST.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры покрыты или пропитаны веществом, содержащим, например, диборид титана, обеспечивающим смачивание алюминием.
Внешние поверхности перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры предварительно обработаны/пропитаны ингибиторными веществами, защищающими от окисления.
Перегородки и/или решетки, перед тем как разместить в пространство МПЗ, обтягивают в вакуумную упаковку из алюминиевой фольги и подогревают до температуры как можно ближе к температуре электролиза, но меньшей, чем температура плавления катодного металла. Затем перегородки и/или решетки помещают в пространство МПЗ.
Под каждым анодом устанавливают от 1 и более перегородок и/или решеток, расстояние между перегородками и/или решетками обратно пропорционально их количеству, а размер пор смачиваемых алюминием открытопористых ячеистых структур обратно пропорционален количеству пор на единицу площади катода.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры могут быть различной формы, например, параллелепипеда, призм, куба, гексагональной, ортогональной, полусферической, цилиндрической, причем в боковых стенках перегородок и/или решеток, выполнены сквозные отверстия прямоугольной или округлой формы, расположенные преимущественно ближе к донной поверхности подины (катода), для облегчения горизонтального протекания алюминия в придонном слое у поверхности подины (катода).
На поверхности углеродной части подины (катода) могут быть выполнены продольные и/или поперечные дренажные каналы для аккумулирования и эвакуации алюминия.
Перегородки и/или решетки, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры могут быть различной формы, например, параллелепипеда, призм, куба, гексагональной, ортогональной, полусферической, цилиндрической и т.д., но симметрия и унификация перегородок и/или решеток может учитываться для оптимальности конструкции и процесса электролиза по критериям уменьшения удельных затрат энергии, и/или увеличения выхода по току.
Перегородка и/или решетка, и/или смачиваемая алюминием открытопористая ячеистая структура, может захватываться по краям кронштейнами, изготовленными из неэлектропроводного материала, стойкого в электролите, и расположенными вдоль боковых поверхностей анода и/или вдоль нижней плоскости анода, с возможностью перемещения вертикально, и/или в горизонтальной плоскости, при необходимости.
Сущность изобретения поясняется эскизами (Фиг.2-8).
Электролизер содержит угольный анод с анодным токоподводом 1, угольную подину (катод) 2. Нижняя поверхность угольного анода погружена в электролит 3. Внутри электролизера выложена футеровка 4. Электролизер снабжен традиционным устройством для подачи сырья (глинозем, фторсоли) и отвода анодных газов 5, устройством для подвода тока 6 к катоду 2. В межполюсном зазоре (МПЗ), кроме катодного металла 9, расположены перегородки и/или решетки 7 и/или смачиваемые алюминием открытопористые структуры 8. Верхняя часть перегородки и/или решетки 7, и/или смачиваемой алюминием открытопористой ячеистой структуры 8 находится в электролите 3, а нижняя часть находится в катодном металле (жидком алюминии) 9.
На поверхности подины, по продольной оси электролизера и/или вдоль проекции периметра анода на поверхность катода, выполнено одно или несколько углублений 12 (Фиг.8) для дренажа и эвакуации металла из ванны.
Монтаж алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.
Перегородки и/или решетки 7, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры 8 могут быть покрыты или пропитаны веществом/веществами, содержащим/ми и/или образующим/ми, например, диборид титана, обеспечивающим/ми смачивание алюминием. Смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры 8 либо приклеивают к подине, либо вставляют в перегородки и/или решетки таким образом, чтобы открытопористые ячеистые структуры 8 находились внутри перегородок и/или решеток 7, а нижняя поверхность открытопористой ячеистой структуры находилась в катодном металле (жидком алюминии) 9. Перегородки и/или решетки 7, и/или смачиваемые алюминием открытопористые ячеистые структуры 8, перед тем, как разместить в пространство МПЗ, могут быть, при необходимости, обтянуты в вакуумную упаковку из алюминиевой фольги с целью закрытия поверхностных пор, защиты от окисления на воздухе, улучшения теплопередачи и подогреты до температуры, как можно близкой к температуре электролиза, но меньшей, чем температура плавления катодного металла. Затем перегородки и/или решетки 7 помещают в пространство МПЗ.
Для электролизеров с обожженными анодами установка и/или замена перегородки и/или решетки 7, при необходимости, осуществляется непосредственно во время замены соответствующего анодного блока, отключение ванны от питания при этом не требуется. Для электролизеров с самообжигающимися анодами Содерберга установка перегородки и/или решетки 7 осуществляется также непосредственно под анод при предварительном поднятии анода 1, при этом ванна может быть отключена от источника питания током. В обоих случаях в местах установки перегородки и/или решетки 7 осуществляется очистка угольной подины 2 от скопившегося осадка.
Для перемещения перегородка и/или решетка 7 захватывается по краям с помощью крючьев, либо кронштейнами 10, изготовленными из неэлектропроводного материала, стойкого в электролите и катодном металле и расположенными вдоль боковых поверхностей анода и/или вдоль нижней плоскости анода, с возможностью перемещения перегородки и/или решетки 7 вертикально, и/или частично в горизонтальной плоскости, при необходимости. Кронштейн 10 прикреплен к перемещаемой тяге 11, которая может быть выполнена из обычных конструкционных материалов.
При этом происходит улучшение следующих ТЭП электролиза: уменьшение удельного расхода энергии, увеличение выхода по току.
ЛИТЕРАТУРА
1. Х. Чанг, В. де Нора и Дж.А. Секхар «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд. Красноярск. гос. ун-т, Красноярск, 1998.
2. J.R. Rayne: US Patent, 4.405.433, April 1981.
3. Патент №111540. - Электролизер для производства алюминия./ Попов Ю.Н., Поляков П.В., Островский И.В. Приоритет от 30.06.2011.