ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ПОЛЯКОВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
POLYAKOV ELECTROLYSIS CELL FOR PRODUCING ALUMINIUM

Изобретение относится к устройствам, применяемым при производстве алюминия электролизом.
2
Известен электролизер для получения алюминия по патенту RU 2041975. Он содержит систему непрерывных анодов, выполненную из предварительно обожженных анодных блоков, расположенных с зазором и соединенных средствами крепления по продольным сторонам, катодные блоки, сборник для осажденного алюминия, анодные балки, соединенные с анодной рамой, щитовые заслонки, расположенные по сторонам электролизера, днище с теплоизоляцией и футеровкой, и автоматические устройства для загрузки оксида алюминия. Средства крепления анодных блоков по продольным сторонам и токоподводы выполнены в виде спрессованного гранулята из углеродосодержащего материала. Катодные блоки расположены раздельно на расстоянии друг от друга и футеровки днища электролизера. Сборник для осажденного алюминия расположен под катодными блоками. Гранулят расположен с обеих сторон по всей длине анодных блоков. В качестве гранулята использован крупнозернистый материал без связующего, состоящий из графита, электрографита, кокса, нефтяного кокса, смолистого кокса, остатков анодных блоков или из смеси этих материалов. Использован гранулят с удельным давлением прессования 150-300 Н/см. Электролизер дополнительно снабжен элементом связки, опорной поперечиной и прессующим бруском, установленными в зазоре между двумя смежными анодными блоками, а гранулят расположен в пространстве, образованном стороной анодного блока, элементом связки, поперечиной и нижним торцом прессующего бруска. Элемент связки выполнен в виде трапеции, нижним основанием расположенной к опорной поперечине. Анодные блоки по обеим торцевым сторонам выполнены с вертикально проходящим U-образным пазом. Элементы связки соединены с анодными блоками и анодной рамой в общую жесткую анодную раму. Общая жесткая анодная рама расположена над всей площадью электролизера. Катодные блоки выполнены в виде треугольной или полукруглой формы, нижние стороны установлены в одной плоскости над футеровкой днища и расположены с зазорами, соединенными со сборником для осаждения алюминия. Электролизер снабжен шпиндельными механизмами, расположенными на анодных балках, для приведения в действие прессующих брусков. Снабжен горизонтальными щитами, установленными с перекрытием анодного пространства, а заслонки, экранирующие продольные и торцовые стороны электролизера, выполнены навесными. Снабжен коробами, расположенными на торцевых сторонах и выполненными с каналами для отвода анодных газов. Автоматические устройства для загрузки алюминия расположены внутри щитового перекрытия. Катодные блоки, установленные под углом откоса не менее 45°. Электролизер снабжен железным стержнем, который расположен в пазу, выполненном в верхней части катодного блока. Снабжен изоляциями и катодные блоки установлены на цоколе. Нижняя сторона анодов выполнена в форме, соответствующей форме противоположных катодных блоков.
Недостатками этого электролизера является сложность конструкции.
По патенту RU 2133304 по кл. С25С 7/00 от 07.07.1998 г. известен электролизер для выделения металлов из растворов. Он содержит корпус, крышку, неподвижные аноды, расположенные в два ряда, и вращающиеся между ними на общем валу дисковые катоды, токоподводы. Корпус выполнен многосекционным с входным и выходным патрубками с межсекционными перегородками с находящимися в них переливными патрубками, расположенными на разных высотах, уменьшающихся в направлении выходного патрубка, с расположенными в верхней части корпуса напорными вентиляторами. Крышка снабжена соединенными с коллектором патрубками для выхода паровоздушной смеси и люками для загрузки матриц с осажденным металлом, выполненными в каждой секции, катоды выполнены сборными, состоящими из секторов, образующих в сборе диск. Сектора сборного дискового катода выполнены трапециевидной формы с накладной ручкой из диэлектрического материала, а сектора дисков помещены в радиальные направляющие, с внутренней стороны которых в специальных канавках расположены токоподводящие шины, соединенные через втулку, вал и токоподводы с источниками электропитания, а на концах направляющих, обращенных к раствору, установлено фиксирующее устройство.
Однако этот электролизер не пригоден для производства алюминия в промышленных масштабах.
Изобретение решает задачи повышения производительности с квадратного метра площади электролизера, снижения расходуемой электроэнергии, улучшения экологии, уменьшения капитальных затрат и расходов на обслуживание.
Технический результат при использовании изобретения заключается в уменьшении размеров электролизера и повышении выхода по току, в устранении взаимодействия газа и электролита с катодным металлом, в улучшении стекания металла на подину, в улучшении отвода отходящих газов, в упрощении системы загрузки глинозема и фторсолей, в уменьшении размеров и массы ошиновки, в упрощении обслуживания электролизера.
Указанный технический результат достигается тем, что в электролизере анодная часть биполярных электродов выполнена расходуемой, а сами электроды - подвижными с возможностью регулирования межэлектродного расстояния. Концевой катод выполнен инертным-малорасходуемым. Подвижные биполя и один из концевых электродов установлены на катках и/или роликах, выполненных из стойкого к алюминию и электролиту материала, например из карбида кремния. Система электродов снабжена стойкими к электролиту и металлу фиксаторами, например, из карбида кремния, поддерживающими заданное межэлектродное расстояние. Подина выполнена наклонной, смачиваемой алюминием и снабжена копильником для сбора металла, обеспечивающим уменьшение паразитных токов и повышение выхода по току, причем подина снабжена ложным днищем, под которым собирается металл с целью уменьшения паразитных токов между биполями. Температура на внутренней поверхности футеровки электролизера выше температуры ликвидуса электролита на 3-50°С. Расстояния между нижним торцом электродов и подиной и между верхним торцом биполярных электродов и поверхностью электролита составляют не более 5 см. Электролизер снабжен кессонами с хладагентом, например высокотемпературным органическим теплоносителем, для отвода тепла, и футерован материалом, стойким к воздействию алюминия и электролита, например карбидом кремния, высокоглиноземистым бетоном, или магнезитом. Электролиты применены на основе фторидов натрия, калия, лития и алюминия для поддержания температуры в пределах 700-850°С. Аноды наклонены к горизонту под углом 1-45° для направленного движения потока газ-электролит, подавления взаимодействия с катодным металлом и повышения выхода по току, а на анодной стороне биполя выполнены пазы для направленного движения потока газ-электролит. Один из концевых анодов по мере расходования анодных частей «биполярных электродов заменяется новым, когда в рабочее пространство электролизера может быть вставлен новый биполярный электрод. Катодная сторона биполя выполнена из материала, смачиваемого алюминием, например диборида титана, толщиной слоя 0,1-5 мм, для облегчения стекания металла на подину и повышения выхода по току. Электролизер снабжен съемным сводом, предназначенным для отвода отходящих газов и установки систем загрузки глинозема и фторсолей, а также снабжен устройством для улавливания газов. Система питания глиноземом в своде электролизера выполнена с непрерывной подачей глинозема сжатым воздухом для обеспечения равномерного распределения глинозема по рабочей поверхности электролита.
На фиг.1 изображен упрощенный общий вид электролизера с ложным днищем; на фиг.2 - то же, без днища; на фиг.3 изображен один из биполярных электродов; на фиг.4 показана система электродов.
Электролизер Полякова включает металлический корпус 1, оборудованный кессонами с хладагентом 2, с футеровкой 3 из материалов, стойких к воздействию электролита 4, в котором расположена система вертикальных или наклонных электродов, состоящая из концевого анода 5, концевого катода 6 и биполярных расходуемых электродов 7. Ток к концевым электродам подводится по токоподводам 8.
Концевой анод 5 и биполярные электроды 7 катками 9 из материала, стойкого к воздействию электролита, опираются на подину 10, расположенную под углом к горизонту. Подина может быть оборудована ложным днищем 11.
В нижней части электролизера расположен копильник 12 в зависимости от конструкции, либо под ложным днищем 11, либо вблизи нижнего края наклонной подины 10.
Расстояние между нижним торцом электродов 7 и подиной 10, а также между верхним торцом электродов и поверхностью электролита составляют не более 5 см для уменьшения паразитных токов.
Сверху электролизер укрывается сводом 13, который может полностью или частично сниматься. В своде предусматривается система удаления газов 14 и система подачи глинозема 15.
Биполярные электроды 7 имеют катодную сторону 16 и анодную сторону 17 и составляют общую систему электродов 18. Расстояния между электродами 7 ограничивается фиксаторами 19. А нижняя часть 20 электродов 7 выполнена из материала, не проводящего электрический ток. Дополнительно биполярные электроды 7 на анодной стороне 17 имеют пазы 21, выполненные наклонными к горизонту под углом 1-45°.
Работает электролизер Полякова следующим образом: пуск электролизера начинается с того, что внутреннее пространство электролизера нагревается электрическими нагревателями или газопламенным методом до температуры, приблизительно на 10-50° выше температуры ликвидуса электролита.
Нагрев выше температуры ликвидуса очень важен, т.к. наличие перемещающихся электродов не допускает твердых образований (настылей, коржей, гарнисажей и др.), способных осложнить технологический процесс.
После нагрева в ванну заливается предварительно наплавленный электролит 4 в количестве, достаточном для того, чтобы покрыть электроды 7, обеспечив слой электролита над ними 1-5 см.
Больший слой электролита 4 над электродами 5, 7, 8 обусловит протекание паразитных токов и не вызывается технологической необходимостью. Слишком малая толщина слоя в случаях технологических расстройств, при смене электродов и т.д. может обнажить электроды. При контакте с атмосферой они могут окисляться.
Сразу после заливки в электролит погружаются все электроды: концевой анод 5, концевой катод 6 и биполярные электроды 7. Затем устанавливается свод 13 и включается ток, а также система охлаждения.
При пропускании электрического тока через токоподводы 8, систему электродов и электролит между ними на катодной стороне 16 биполярных электродов 7 выделяется жидкий алюминий, опускающийся вниз. На расходуемой анодной стороне 17 выделяется газ, например диоксид углерода, поднимающийся вверх.
Использование последовательно соединенных биполярных электродов 7 и применение относительно малой силы тока резко (во много раз) уменьшает массу ошиновки в расчете на 1 кА тока. Так, для электролизера с током 500 кА масса ошиновки составляет около 60 т, тогда как в случае биполярного электролизера гораздо большей производительности - меньше 5 т.
Отсутствие токоподводов 8 к отдельным электродам снижает напряжение на отдельной паре анод-катод, а возможность уменьшения межэлектродного расстояния снижает падение напряжения в электролите. Вместо 13-14 кВт·ч на 1 кг алюминия удельный расход энергии составит 11-12 кВт·ч/кг.
Отсутствие больших магнитных полей делает ненужным постоянно держать в копильнике большую массу металла. Так, в электролизерах большой мощности масса жидкого алюминия около 25 т, тогда как в предлагаемом аппарате большей мощности 1-2 т.
Применение биполярных электродов 7 с расходуемой угольной стороной 17 со стандартной технологией изготовления угольных блоков делает, например, нецелесообразной разработку технологии с использованием инертных нерасходуемых анодов, где проблема их коррозии и загрязнения алюминия никелем, медью, железом и т.д. до сих пор не решена.
Катодная сторона 16 биполярных электродов 7, концевой катод 6, наклонная подина 10 покрыты материалом, стойким к электролиту и смачиваемым алюминием, например диборидом титана. Технология покрытия углеродных блоков диборидом титана хорошо разработана. Алюминий стекает в пленочном режиме по катодной стороне биполярных электродов, попадает на подину и, стекая по наклонной подине 10 или проникая через ложное днище 11, попадает в копильник 12.
Отделение копильника 12 от электродов 7, в том числе и с помощью ложного днища 11 уменьшает скорость растворения металла и величину паразитных (байпасных) токов, что повышает производительность электролизера.
Концевой катод 6 выполнен из материала, стойкого к воздействию электролита, например, из диборида титана или его композитной смеси с графитом, и располагается в электролизере неподвижно. Биполярные электроды 7 и концевой анод 5 выполнены подвижными и установлены на катках и/или роликах 9. В процессе работы электроды 7 становятся тоньше, и по наклонной подине 10, под действием силы тяжести или с помощью механического усилия передвигаются ближе друг к другу на расстояние, ограниченное фиксаторами 19 заданной длины, выполненными из материала, стойкого к электролиту и вмонтированного в биполярные электроды с катодной стороны. Нижняя часть 20 биполярных электродов 7 в целях уменьшения паразитных токов выполнена из материала, не проводящего электрический ток.
Применение вертикально (или наклонно) ориентированных биполярных электродов 7 в десять раз (и более) повышает съем металла с квадратного метра площади цеха.
2
2
2
Так, биполярный электролизер с шириной электролизера 2 м и высотой электродов 1 м и длиной 4 м (площадь 8 м) при средней толщине биполя 10 см и плотности тока 1 А/см, при токе, равном 20 кА, будет иметь такую же производительность, как обычный электролизер с обожженными анодами на силу тока 540 кА, имеющий площадь около 80 м.
Уменьшение материалоемкости электролизера и стоимости материалов (отсутствие угольной подины) снижает стоимость электролизера приблизительно в 10 раз.
Выборка металла из копильника производится по графику и зависит от объема копильника.
На анодной стороне биполярных электродов 17 выделяется газ. Благодаря тому, что биполярные электроды 7, имеющие пазы 21 на анодной стороне 17, выполнены наклонными к горизонту под углом 1-45°, газ, поднимающийся с анодной стороны биполярных электродов, не заполняет собой межэлектродное пространство, а поднимается вверх по пазам 21 и в тонком слое вблизи анодной стороны в пространство под сводом, после чего удаляется через систему удаления газов 14.
Применение герметичного свода вместо укрытия электролита слоем корки, обычно содержащей отверстия и трещины, отсутствие подсосов и малый объем отсасываемых газов делает электролизер крайне экологически и экономически привлекательным.
3
3
Так, мощный электролизер с обожженными анодами требует, чтобы объем отсасываемых газов был около 10000 м/час. Заявляемый электролизер будет отсасывать не более 1000 м/час. Малый объем газов облегчает их охлаждение, уменьшает нагрузку на газоочистные системы и резко их удешевляет.
Анодная сторона биполярного электрода расходуется в процессе электролиза. Когда толщина электрода становится минимальной (30-50 мм), электрод считается израсходованным, свод 13 или его часть снимается и тонкий электрод извлекается из электролизера.
Когда общая длина системы электродов 18 уменьшается до определенного значения, свод 13 или его часть снимается, и в рабочее пространство электролизера помещается новый биполярный электрод.
Это определенное значение легко определяется. При среднем расходе катодной части биполя 1,5 см/сутки и толщине нового анода 25 см, время τ, ч, когда можно ставить новый анод, составит:
где n - число анодов.
Отвод тепла, выделяющегося при электролизе, осуществляется с помощью кессонов 2 с непрерывно циркулирующим хладагентом, например высокотемпературным органическим теплоносителем.
Отвод тепла стенками электролизера становится необходимым, вследствие того, что большая работа диссипации (джоулево тепло) выделяется в малом объеме и без интенсивного теплоотвода электролизер будет работать при очень высокой температуре.
Отвод высокопотенциального тепла теплоносителями делает возможным эффективное использование тепла для других целей, в том числе для получения электроэнергии, или нагрева воды.
Параметры загрузки глинозема через систему подачи глинозема 15 с помощью сжатого воздуха определяются силой тока и выходом по току.
2
Непрерывная загрузка глинозема (в отличие от современного решения) становится возможной ввиду того, что электролит не замерзает на границе с атмосферой. В этом случае порции глинозема на 1 м поверхности подины малы, не возникает комкования глинозема и исключается образование осадков на подине.