ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ С ДВИЖУЩИМСЯ ЭЛЕКТРОЛИТОМ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ
PRODUCTION OF ALUMINIUM WITH A MOVING ELECTROLYTE IN AN ELECTROLYSER

1. Область техники.
Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к конструкции электролизеров для производства алюминия.
2. Предшествующий уровень техники.
Существуют химические способы получения алюминия и способы с использованием электролиза. Химические способы имеют высокую себестоимость получаемого алюминия и малую производительность. Наиболее производительным химическим способом получения является магнийтермическое восстановление трихлорида алюминия (ном. патента RU0002583214 от 10.05.16г. автор Бегунов Альберт Иванович).
Значительно более производительным является получение алюминия с использованием электролиза открытого в 1808 г. и значительно усовершенствованном 1886г. французским инженером Польем Эру и американским студентом Чарльзом Холлом. Метод Холла-Эру с небольшими доработками используется в промышленности в настоящее время. Прогресс в технологии электролизного получения алюминия происходит по следующим направлениям:
- доработка конструкции электролизёра в целом – изобретение № EA 201990207 от 28.06.2019 г., автор Лю Синхуа;
- доработка подачи оксида алюминия - изобретение № RU 0002454490 от 27.06.12 г. авторы Поляков Петр Васильевич, Виноградов Алексей Михайлович, Никитин Евгений Викторович, Красовицкий Александр Владимирович;
- доработка химической составляющей процесса электролиза хлорида алюминия - изобретение № US 4919771 от 24.04.90 автор Wilkening Siegfried.
Из уровня техники и в производстве известно пропускание металлического расплава через фильтр для его очистки от нерастворимых частиц (не металлических включений и пр.). В качестве фильтров используются особые сорта стеклоткани с размером ячейки около 1 мм или стальную сетку. Наиболее эффективно фильтрование расплавов через зерновые и спеченные пористые фильтры. Зерновые фильтры представляют 30-60 мм слой из кусков зерен диаметром 5-15 мм. Спеченные пористые фильтры имеют поры размером до 0,5 мм. Оба этих типа фильтров способны задерживать очень мелкие включения, до 20-30 мкм в поперечнике. Из текущего уровня техники не известно использование подобных фильтров для предварительной очистки расплава алюминия внутри электролизера.
Все найденные изобретения, касающиеся электролизного получения алюминия, незначительно улучшают технологию, не меняя её кардинально. Все улучшения не меняют основные недостатки электролизного получения алюминия:
- огромный расход электроэнергии,
- не равномерность процесса электролиза в силу использования не равномерно сгорающих угольных анодов,
- не равномерность подачи оксида алюминия в зону электролиза
Эти недостатки значительно снижает представленное изобретение.
3. Раскрытие изобретения.
Сущностью представленного изобретения является: повышение интенсивности процесса электролиза при меньшем расходе электричества движением электролита насыщенного оксидом алюминия вдоль подины электролизера самотёком и использование в качестве анодов металлов или их сплавов с высокой проводимостью, тугоплавкостью, коррозийной и химической стойкостью.
4. Целью изобретения являются:
- высокая интенсивность и равномерность реакции диссоциации оксида алюминия на составляющие химические элементы - алюминий и кислород под действием тока, исключающей анодный эффект (блокирование анодов газовой плёнкой) и выпадение в осадок оксида алюминия, что нарушает эффективность электролиза,
- поддержание максимальной насыщенности электролита растворенным оксидом алюминия между анодами и катодом (подиной),
- смыв потоком электролита с анодов выделяющихся пузырьков кислорода снижая анодный эффект и реакции окисления и разрушения анодов, увеличивая смачиваемость анодов электролитом,
- экономия электроэнергии на высокой проводимости и низкого электрического сопротивления анодов.
Перечисленные факторы позволяют достичь большего выхода алюминия при меньших затратах электричества. Также технологический процесс изобретения позволяет получать вместо углекислого газа кислород.
5. Это достигается тем, что:
- в камере электролиза обеспечивается циркуляция электролита с растворенным оксидом алюминия в замкнутом контуре,
- в силу большой вязкости электролита с растворенным оксидом алюминия уровень подачи электролитной смеси выше чем уровень её оттока чем обеспечивается самоток,
- равномерное насыщение электролита оксидом алюминия происходит вне зоны электролиза с использованием перемешивания и регулирования добавок,
- в камеру электролиза раствор электролита с растворенным оксидом алюминия подаётся равномерно с целью равномерного перемещения между анодами и катодом
- осаждаемый алюминий стекает самотёком по подине имеющей небольшой наклон в сторону ванны, расположенной в передней части относительно течения раствора, излишки алюминия постоянно отводится наружу для дальнейшей обработки, обеспечивая постоянный уровень алюминия на подине,
- ванна сбора расплавленного алюминия может использоваться для грубой очистки от нерастворимых частиц (не расплавленных, не металлических включений и пр.),
- выделяющийся на анодах кислород, во избежание блокирования анодов от раствора и вступления в химическую реакцию постоянно отводится вверх и в систему отвода и очистки газов,
- для эффективного отделения и отвода кислорода используются обтекаемые аноды (смыв пузырьков) и вибрация анодов оптимальной частоты, чем больше кислорода отделится с выведется, тем меньше он будет участвовать в обратимой реакции окисления алюминия,
- выделившийся кислород может быть очищен и использован в промышленности, транспорте или медицине,
- аноды должны быть изготовлены из тугоплавкого метала или сплава высокой электропроводностью, низкого электрического сопротивления, коррозийной и химической стойкостью, предположительно - псевдосплав меди и вольфрама.
Отдельно к представленному изобретению рекомендуется организация выпуска готовой продукции на заводах получения алюминия из оксида алюминия. Этим достигается экономия электроэнергии на повторный разогрев/расплав заготовок (слитки различной формы). Сэкономленная, дешевая электроэнергия наиболее эффективно применима при производстве готовой продукции с высокой добавленной стоимостью.
Дополнительно следует добавить сведения, подтверждающие влияние каждого из
заявленных конструктивных признаков на достижение указанного технического результата, а именно, повышение интенсивности процесса электролиза при меньшем расходе электричества:
- Циркуляция электролита снижает процесс появления в прианодном пространстве кислородной подушки, увеличивающей электрическое сопротивление и расход электроэнергии. Равномерный расход оксида алюминия в протекающем электролите снижает возможность проявления известного в процессе электролиза алюминия анодного эффекта при снижении содержания оксида алюминия в прианодном пространстве менее 1% который также снижает эффективность электролиза - увеличивает расход электроэнергии и требует дополнительных мероприятий для исключения анодного эффекта.
- Вибрация используется из известного уровня техники для отрыва пузырьков выделяющихся на электродах газов и для ускорения химических реакций (например, В.А. Позднеев, В.Н. Цуркин «О низкочастотной осцилляции пузырьков в вибрирующей жидкости» 28.09.2001)
- Использование анодов из химически неактивных материалов значительно снижает образование пены (угольной пены при использовании угольных анодов). Предлагаемые ранее материалы анода на основе: железа, никеля, марганца, титана, тантала, циркония, хрома, ниобия, кобальта, ванадия, сплавов на их основе, карбидов и боридов этих металлов, а также с использованием композиционных материалов на основе тугоплавкой керамики, имеют от 1,5 до 50 раз большее электрическое сопротивление чем у анодов на основе композитного сплава меди и вольфрама и, следовательно, больший расход электричества при электролизе. Электрическое сопротивление угольных анодов в 430-600 раз выше сопротивления композитного сплава меди и вольфрама.
Отдельно к представленному изобретению рекомендуется организация выпуска готовой продукции на заводах получения алюминия из оксида алюминия. Этим достигается экономия электроэнергии на повторный разогрев/расплав заготовок (слитки различной формы). Сэкономленная, дешевая электроэнергия наиболее эффективно применима при производстве готовой продукции с высокой добавленной стоимостью. Описанные в изобретении методы могут быть применены, в том числе, в производстве рафинированного (очищенного) алюминия. Процесс рафинирования, для снижения себестоимости продукции, может быть включен в один технологический цикл с первичным получением алюминия.
6. Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 изображен электролизер с движущимся самотёком электролитом, указаны:
1 - отводимые газы
2 - отвод обедненного электролита и место добавления оксида алюминия
3 - отвод расплавленного алюминия
4 - направление движения электролита с растворенным оксидом алюминия
5 - подина, катод
6 - электролит с растворенным оксидом алюминия
7 - подача электролита насыщенного оксидом алюминия
8 - аноды из метала или сплава металлов
9 - токопроводная шина
10 - расплавленный алюминий.
Перемешивание в электролите добавленного оксида алюминия происходит при его перемещении с отвода к вводу в электролизер.
Электролизер может быть выполнен по симметричной компоновке с подачей электролита насыщенного оксидом алюминия с двух, противоположных сторон и отбором обедненного оксидом алюминия электролита в центре.
На фиг. 2 А указан поперечный разрез анода со схематическим обтеканием электролита.
На фиг.2 В изображено
8 - анод, установленный в ванне электролизера на анодной электрической шине
9 - электрическая анодная шина
11 - вибрирующее устройство.
Для упрощения на чертеже не показаны элементы, не относящиеся к демонстрации установки обтекаемых анодов.