Электролизер для производства алюминия
ELECTROLYSIS UNIT FOR ALUMINUM PRODUCTION

Область техники
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению алюминия, а именно к конструкции электролизера для производства алюминия электролизом расплавленных солей.
Уровень техники
Известна конструкция электролизера для производства алюминия электролизом глинозема в низкотемпературном расплаве электролита, содержащая установленный внутри ванны короб, изготовленный из сплава Cu-Fe-Ni, несущий потенциал анода, приваренные к боковым стенкам короба вертикально расположенные инертные (малорасходуемые) аноды, изготовленные из этого же сплава, между которыми расположены смачиваемые катоды (патент US 6,866,768, опубл. 15.03.2005).
Недостатком этой конструкции электролизера является то, что боковые и подовая части короба, несущие потенциал анода, выделяют пузырьки кислорода, которые поднимаясь сквозь расплав, окисляют выделившийся на катоде алюминий, снижая выход алюминия по току и увеличивая расход электроэнергии. Кроме того, вертикально расположенные токоподводы, выступающие над расплавом, вызывают намораживание криолитоглиноземной корки на его поверхности, что затрудняет погружение глинозема в электролит, его растворение и перенос в межэлектродное пространство, способствует образованию наростов на электродах, нарушающих протекание стабильного электролиза и снижающих его показатели. Подвод тока сверху через слой электролита требует также создание защиты токоподвода на границе расплав - газ от растворения, что усложняет конструкцию анодного устройства электролизера.
Известен электролизер для получения жидких металлов электролизом расплавов по патенту RU 2586183, опубл. 10.06.2016, содержащий корпус, подину, крышку, установленные вертикально или наклонно малорасходуемые полые, перфорированные и/или открыто пористые электроды, подсоединенные к источнику постоянного тока, при этом в электродах выполнены внутренние каналы для транспортировки по ним продуктов электролиза. Электроды в поперечном сечении выполнены в виде прямоугольника, закреплены в крышке электролизера и/или в углублениях корпуса и подины, причем в подине - катодной частью, при этом электроды соединены в виде от 1 до 100 параллельных рядов с последовательно соединенными биполярными электродами в ряду от 2 до 100 при расстоянии между электродами от 0,5 до 5 см, а от боковой поверхности электрода до боковой стенки электролизера - от 0,01 до 1 см, при этом каждый ряд эквипотенциальных электродов соединен с накопителем металла, расположенным в нижней части электролизера. Недостатком известного устройства является сложная для изготовления и эксплуатации конструкция электролизера, содержащая пористые электроды, закрепленные в верхней крышке и в подине с внутренними каналами для транспортировки продуктов электролиза, что увеличит капитальные и операционные затраты на производство алюминия.
Известна конструкция электролизера для производства алюминия электролизом глинозема в низкотемпературном расплаве, содержащая поочередно расположенные вертикальные аноды и катоды, подвешенные к коллектору так, что нижние части катодных пластин находятся в жидком алюминии ванны, через который ток передается в угольную подину, катодные токоотводы и ошиновку. Коллектор вместе с анодами и катодами, скрепленными между собой электроизоляционными прокладками, может двигаться вверх-вниз, изменяя площадь электродов, погруженных в расплав, токовую нагрузку на электроды и температуру электролита (патент US 5,415,742, опубл. 1995).
Недостатком этой конструкции электролизера является то, что на подине ванны находится слой жидкого металла, несущий потенциал катода и передающий ток в ошиновку по угольным блокам и блюмсам. Погруженный в электролит и не растворившийся глинозем выпадает в осадок под жидкий металл на катоде, увеличивая его электросопротивление и величину горизонтальных токов в жидком металле. Взаимодействие этих токов с вертикальной компонентой индукции магнитного поля вызывает МГД - течения в жидком металле, что приводит к увеличению скорости массопереноса примесей в катодный алюминий и его загрязнению, к снижению выхода алюминия по току и увеличению расхода электроэнергии.
Наиболее к близким к заявленному изобретению является электролизер для производства алюминия электролизом глинозема во фторидном расплаве, содержащий малорасходуемые металлические аноды, выполненные, например, из сплава Cu-Fe-Ni или Fe-Ni, соединенные с анодной шиной вертикальными токоподводами и смачиваемые катоды, футерованное огнеупорным материалом укрытие верха электролизера и устройство непрерывной/ прерывистой подачи подогретого глинозема на поверхность расплавленного электролита (WO 00\63464, опубл. 16.04.1999 г.).
Это изобретение принято в качестве прототипа. Изобретение позволяет улучшить процесс растворения и переноса глинозема в межэлектродное пространство, однако его техническая реализация имеет ряд недостатков. Расположенные вертикально анодные токоподводы, сокращают площадь поверхности расплава, на которую подается глинозем, и скорость его растворения, а также увеличивают тепловые потери верхом электролизера (расход энергии), что приводит к образованию корки на поверхности расплава и осадков на подине. На границе электролит - газ токоподводы необходимо защищать от растворения в электролите, чтобы уменьшить содержание примесей в алюминии. Большое количество анодов и токоподводов к ним (на электролизере на силу тока ≥300кА≥40 шт), делает сложным изготовление и эксплуатацию балки-коллектора с механизмами подъема анодов и создание герметичного теплоизолированного укрытия, через которое проходят ≥40 вертикальных токоподводов, что увеличивает капитальные и операционные затраты на производство алюминия.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании конструкции электролизера для производства алюминия электролизом глинозема во фторидном расплаве, с металлическими малорасходуемыми анодами, обеспечивающей непрерывное питание ванны глиноземом без образования осадков и исключающей недостатки прототипа.
Техническим результатом является увеличение выхода алюминия по току, снижение расхода энергии и повышение чистоты алюминия, а также снижение капитальных и операционных затрат на производство алюминия.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в электролизере для производства алюминия электролизом глинозема во фторидном расплаве, содержащем малорасходуемые металлические аноды, выполненные, например, из сплава Cu-Fe-Ni или Fe-Ni, соединенные с анодной шиной вертикальными токоподводами и смачиваемые катоды, футерованное огнеупорным материалом укрытие верха электролизера и устройство непрерывной или прерывистой подачи подогретого глинозема на поверхность расплавленного электролита, токоподводы к анодам расположены на бортах ванны и подключены к ошиновке с боковых сторон электролизера.
Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные на достижение поставленной цели.
2
Подина электролизера смонтирована из катодных углеродных блоков покрытых TiB или Al-В, в пазы которых, погружены металлические аноды на расстоянии 20-30 мм от стенок пазов.
Донная часть пазов катодных блоков, выполнена с наклоном к центру ванны, а в торце ванны выполнено углубление для сбора и выливки алюминия.
Расположение анодных токоподводов у бортов ванны исключает необходимость их защиты на границе электролит-газ, так как эта граница будет защищена гарнисажем из намерзшего на бортах электролита. Подвод тока к анодам с боковых сторон электролизера позволяет закрыть всю поверхность электролизера герметичным теплоизолированным укрытием, исключить подсосы газа из окружающей среды и уменьшить за счет этого объем отсасываемых газов и тепловые потери верхом электролизера. Это позволит использовать тепло отходящих газов для подогрева глинозема и предотвратит намерзание криолитоглиноземной корки на поверхности расплава. Подача подогретого глинозема на поверхность расплава обеспечит его полное растворение и высокое содержание в электролите без образования осадков на подине и наростов на электродах (WO 99/41434, опубл. 19.08.1999 г). Высокая и однородная концентрация глинозема снизит скорость растворения металлических анодов. Предлагаемая конструкция электролизера является более простой в изготовлении и эксплуатации по сравнению с прототипом - в ней отсутствуют механизмы подъема и опускания балки - коллектора и укрытия, упрощается конструкция и уменьшается вес ошиновки за счет исключения анодных стояков, соединяющих катодные шины предыдущего электролизера с анодными шинами следующего, что снижает капитальные и операционные затраты на производство алюминия.
Размещение анодов в пазах катодных блоков позволяет использовать стандартные двухпазовые блоки в качестве подины электролизера с вертикальными электродами.
Наклон донной части пазов катодных блоков к центру ванны обеспечит стекание алюминия выделяющегося на стенках пазов, являющихся катодами, в накопитель алюминия в торце ванны, что предотвратит возникновение МГД-течений в жидком металле и обеспечит повышение выхода по току и чистоты алюминия.
Таким образом, предлагаемая конструкция электролизера для производства алюминия, обеспечит оптимальные условия для растворения и переноса глинозема в межэлектродное пространство - увеличит открытую поверхность расплава, на которую подается подогретый глинозем, скорость растворения и высокое содержание растворенного глинозема в электролите, исключит образование наростов на электродах, осадков и возникновение МГД-течения жидкого алюминия. Это повысит чистоту алюминия и выход по току, снизит расход электроэнергии. Использование стандартных катодных блоков, более простой конструкции укрытия, исключающей механизмы подъема балки-коллектора и анодные стояки снизит капитальные и операционные затраты на производство алюминия.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется схемой электролизера для получения алюминия, представленном на фиг. 1 (а,б,).
Электролизер для производства алюминия содержит футерованное огнеупорным материалом укрытие - 2 с бункером для подогрева и непрерывного питания ванны глиноземом - 1, электролит - 3, анодные токоподводы - 4, гарнисаж - 5, аноды - 6, катодные токоотводы - 7, катодные блоки с пазами - 8, подовую футеровку электролизера - 9, накопитель алюминия - 10.
2
Монтаж электролизера для производства алюминия осуществляется следующим образом. После футеровки ванны (подина футеруется теплоизоляционными и огнеупорными кирпичами известным способом) на нее устанавливаются катоды - графитовые/ графитированные блоки шириной 770 мм и высотой, например, 500 мм покрытые TiB с двумя продольными пазами шириной 110 мм и высотой 400 мм, обращенными вверх. Швы между блоками заполняются утрамбованной подовой массой известным способом. Внутри блоков закрепляются известным способом медные/стальные катодные токоотводы (блюмсы). Токоотводы выводятся в окна футеровки ванны, заделываются в ней известным способом и соединяются с катодными шинами. Бортовые стенки ванны футеруются плитами карбида кремния известным способом. Аноды и анодные токоподводы изготавливаются из металлической плиты Cu-Fe-Ni толщиной 30-50 мм. Аноды устанавливаются в пазы катодных блоков на расстоянии 20-30 мм от стенок, образуя с ними межэлектродное пространство. Установленная величина межэлектродного расстояния 20-30 мм при скорости расходования металлического анода 2-4 мм/год ((I. Galasiu, R. Galasiu, J. Thonstad "Inert anodes for aluminium electrolysis, Aluminium Verlad, Dusseldorf, 2007, pp. 5-8, 10. 34. 170. 174) позволит работать, не меняя ее величину, в течение всего срока эксплуатации электролизера, корректируя в необходимых случаях параметры процесса составом электролита или уровнем расплава. Анодные токоподводы расположены на бортах ванны и подключены к ошиновке с боковых сторон электролизера известным способом.
После окончания монтажа осуществляется подготовка электролизера к пуску (разогрев газовыми или мазутными горелками до температуры 700-800°С), заливка электролита, включение электролизера под нагрузку и последующий его вывод на нормальный технологический режим известным способом. Питание ванны глиноземом осуществляют непрерывной подачей в количестве не менее 95% глинозема от теоретического выхода алюминия по току на поверхность расплава под укрытием электролизера. При питании глиноземом в количестве менее 95% от теоретического выхода по току возрастет скорость растворения металлического анода, при количестве глинозема более 100% выхода по току могут образовываться осадки глинозема, что вызовет нарушение процесса электролиза (стекания алюминия в сборник). Выливку алюминия, контроль и управление процессом осуществляют известным способом.
Предлагаемая конструкция электролизера для производства алюминия позволит увеличить выход по току и снизить расход энергии за счет улучшения питания ванн глиноземом, исключения образования осадков и МГД-процессов в ванне, улучшить качество алюминия и увеличить срок службы металлических анодов. При этом содержание примесей в алюминии при полном расходовании анодов в течение 5 лет эксплуатации электролизера составит ≤0,20% вес, что соответствует коммерческим требованиям. Боковой подвод тока к анодам позволяет также упростить конструкцию электролизера (убрать балку-коллектор, механизмы подъема и питания глиноземной шихтой, упростить схему и уменьшить вес шинопроводов), снизить капитальные и операционные затраты на производство алюминия.