RU111540U1

RU111540U1 - Электролизер для производства алюминия

Info

Publication number: RU111540U1
Application number: RU2011126988/02U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Попов; Петр Васильевич Поляков; Иван Викторович Островский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Легкие металлы"
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-12-20

Abstract

1. Электролизер для производства алюминия, включающий катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными катодными токоподводами, заключенными 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 и тумбы выполнены с возможностью перемещения и/или замены при необходимости. ! 2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы выполнены из углеродных блоков, в частности из отходов в виде боя стандартных подовых блоков или обожженных анодов или электродов, и внутрь каждого блока закапсулирован груз, например чугунный, не позволяющий тумбе плавать в расплаве. ! 3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы выполнены из карбида кремния и покрыты или пропитаны электропроводным материалом. !4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы выполнены из смеси диборида титана и углерода на высокотемпературной связке. ! 5. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы покрыты веществом, обеспечивающим смачивание алюминием, например диборидом титана. ! 6. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что внешние поверхности тумбы предварительно покры�

Description

Полезная модель 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 (блюмсами), заключенных 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

, где V - напряжение на ванне, В; η - выход по току,

к - 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 гидродинамического перемешивания (циркуляции) электролита и/или металла.

Таким образом, одним из важнейших недостатков вышеуказанной конструкции являются относительно высокое омическое сопротивление МПЗ и высокий расход энергии.

Известен электролизер для производства алюминия, принятый за прототип ([2], рис.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.

Недостатком прототипа является недостаточная термо-механическая 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.

Задача полезной модели - снижение удельного расхода энергии за счет уменьшения омического сопротивления и падения напряжения в МПЗ, повышения выхода по току вследствие увеличения гидродинамического сопротивления для движения расплава у границы алюминий-электролит, и, следовательно, уменьшения перемешивания расплава и «обратных» реакций металла с анодными газами, а также удобства расположения дополнительных элементов в МПЗ на подине и возможности их оперативного удаления из межэлектродного зазора (МПЗ) при необходимости, например, опускания анода на катод, и уменьшение стоимости конструкции.

Технический результат полезной модели заключается в создании конструкции алюминиевого электролизера, включающего катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными токоподводами (блюмсами), 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 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 и тумбы можно перемещать и/или заменять при необходимости.

Полезную модель дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи:

Тумбы могут быть выполнены из углеродных блоков, в частности из отходов (боя) стандартных подовых блоков, обожженных анодов и/или электродов, и внутрь каждого блока закапсулирован груз, например, чугунный, не позволяющий «тумбе» плавать в расплаве.

Тумбы могут быть выполнены из карбида кремния и покрыты или пропитаны электропроводным материалом.

Тумбы могут быть выполнены из смеси диборида титана и углерода на высокотемпературной связке.

Тумбы могут быть покрыты веществом, обеспечивающим смачивание алюминием, например, диборидом титана.

Внешние поверхности тумбы предварительно обработаны/пропитаны защитными ингибиторными веществами.

Под каждым анодом может быть установлено от 1 до 240 тумб.

Отношение суммы площадей верхней поверхности тумб и площади анода изменяется от 10% до 120%.

Верхняя поверхность блоков выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонту

Верхняя часть тумбы изготовлена пористой, включающую ячеистую матрицу инертную по отношению к выделяемому металлу и электролиту, выполненную в виде открытой пористой структуры с образованием внутренних пор (капилляров, каналов, полостей), заполненных металлом того состава, который выделяется на катоде. Назначение функции «упрятывания» металла вглубь полости (канала, поры, капилляра), - уменьшить реакции обратного взаимодействия металла с анодными газами, скорость реакции которых зависит от доставки окислителя (газов) движущихся в межэлектродном пространстве: металл, находящийся в капилляре, будет меньше окисляться.

Внутренние поры (капилляры, каналы, полости) изготавливают смачивающимися металлом, при этом, поры (капилляры, каналы, полости) выполнены с такими размерами, в частности диаметром и длиной, что поры (капилляры, каналы, полости) соединены с основным объемом катодного металла.

Объем, занимаемый металлом в порах (капиллярах, каналах, полостях) составляет от 5% до 99,0% от объема ТУМБЫ.

Сущность полезной модели поясняется эскизом (Фиг.2).

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 т.п.) и отвода отходящих газов 5, устройством для подвода тока 6 к катоду 2. На угольную подину (катод) 2 установлены тумбы 7 с чугунным и/или стальным и/или другим утяжелителем, защищенным от воздействия алюминия и электролита. Верхняя поверхность тумбы 7 находится в электролите 3, а нижняя поверхность находится в катодном металле (жидком алюминии) 8.

Монтаж алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.

Для электролизеров с обожженными анодами установка тумб 7 осуществляется непосредственно под обожженными анодами 1 во время замены соответствующего анодного блока, отключение ванны от питания при этом не требуется. Для электролизеров с самообжигающимися анодами Содерберга установка тумб осуществляется также непосредственно под анод при предварительном поднятии анода, при этом ванна может быть отключена от источника питания током. В обоих случаях в местах установки блоков осуществляется очистка угольной подины 2 от скопившегося осадка.

Тумбы 7 могут быть покрыты диборидом титана, что приводит к улучшению смачивания поверхности блоков расплавленным металлом и образованию на верхнем основании блока пленки алюминия, которая стекает к подине. Внешние поверхности тумбы 7 предварительно обработаны или пропитаны защитными ингибиторными веществами, с целью уменьшения скорости растворения и/или окисления в электролите для увеличения срока службы

При этом происходит улучшение следующих ТЭП электролиза алюминия: уменьшение удельного расхода энергии, увеличение выхода по току, снижение рабочего напряжения и увеличение производительности электролизера.

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.

Claims

1. Электролизер для производства алюминия, включающий катодное устройство, содержащее ванну с угольной подиной, выложенную из угольных блоков с вмонтированными катодными токоподводами, заключенными 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 и тумбы выполнены с возможностью перемещения и/или замены при необходимости.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы выполнены из углеродных блоков, в частности из отходов в виде боя стандартных подовых блоков или обожженных анодов или электродов, и внутрь каждого блока закапсулирован груз, например чугунный, не позволяющий тумбе плавать в расплаве.

3. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы выполнены из карбида кремния и покрыты или пропитаны электропроводным материалом.

4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы выполнены из смеси диборида титана и углерода на высокотемпературной связке.

5. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что тумбы покрыты веществом, обеспечивающим смачивание алюминием, например диборидом титана.

6. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что внешние поверхности тумбы предварительно покрыты или пропитаны защитными ингибиторными веществами.

7. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что под каждым анодом может быть установлено от 1 до 240 тумб.

8. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что отношение суммы площадей верхней поверхности тумб и площади анода изменяется от 10% до 120%.

9. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что верхняя поверхность блоков выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонту.

10. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть тумбы изготовлена пористой, включающую ячеистую матрицу, инертную по отношению к выделяемому металлу и электролиту, выполненную в виде открытой пористой структуры с образованием внутренних пор, капилляров, каналов, полостей, заполненных металлом того состава, который выделяется на катоде.

11. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что внутренние поры, капилляры, каналы, полости изготавливают смачивающимися металлом, при этом поры, капилляры, каналы, полости выполнены с такими размерами, в частности диаметром и длиной, что поры, капилляры, каналы, полости соединены с основным объемом катодного металла.

12. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что объем, занимаемый металлом в порах, капиллярах, каналах, полостях, составляет от 5% до 99,0% от объема тумбы.