RU2616754C1 - Aluminium electrolyser with artificial crust - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: electrolyser contains a cathode device, containing a bath of coal bottom, and composed of coal blocks with embedded cathode current conductors, enclosed in a metal housing, with refractory and heat-insulating materials arranged between the metal housing, the anode device, containing one or more carbon anodes, connected by the anode bus, placed in the top of the bath and immersed in the molten electrolyte. The refractory electroinsulating cryolite resistant materials are placed on the peripheral surface of the bottom between the side blocks and anode projection line at the cathode.

EFFECT: reduction of the anode-to-cathode distance (ACD), voltage and power consumption, current yield increase.

4 cl, 1 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизеров для получения алюминия.The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum, and in particular to the design of electrolytic cells for producing aluminum.

Известен электролизер, 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 один или несколько угольных анодов, соединенных с анодной шиной. Аноды размещены в верхней части ванны и погружены в расплавленный электролит. (Х. Чанг, В. де Нора и Дж.А. Секхар «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд. Красноярск. гос. ун-т, Красноярск, 1998.)A known cell containing a cathode device and an anode device. The cathode device comprises a bath with a coal bottom, laid out of coal blocks with mounted current leads enclosed in a metal casing. Between the metal casing and the coal blocks are placed refractory and heat-insulating materials. The anode device contains one or more carbon anodes connected to the anode bus. Anodes are placed at the top of the bath and immersed in molten electrolyte. (H. Chang, V. de Nora, and J.A. Sekhar “Materials used in the production of aluminum by the Eru-Hall method.” - Ed. Krasnoyarsk. State University, Krasnoyarsk, 1998.)

Недостатком известной конструкции электролизера является то, что разработанные для нее технологии характеризуются весьма высоким удельным расходом энергии W, определяемым уравнением:A disadvantage of the known design of the electrolyzer is that the technologies developed for it are characterized by a very high specific energy consumption W, defined by the equation:

где V - напряжение на ванне, В; η - выход по току, k - электрохимический эквивалент [кг/кА*ч].where V is the voltage on the bath, V; η - current output, k - electrochemical equivalent [kg / kA * h].

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:Usually in technologies for producing aluminum W = 13-15 kWh / kg of metal. However, this energy consumption is approximately 2 times greater than theoretically predicted. There are two reasons for this:

1. В напряжении V большую часть занимает омическое падение напряжения в электролите, определяемое величиной межэлектродного (межполюсного) расстояния (МПР). Обычно это расстояние составляет около 5 см.1. In voltage V, a large part is occupied by the ohmic voltage drop in the electrolyte, determined by the magnitude of the interelectrode (interpolar) distance (MPR). Usually this distance is about 5 cm.

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.2. The current efficiency η decreases with a sharp increase in the interaction (the so-called "reverse interaction") of the anode products (carbon dioxide) and cathode products (dissolved aluminum) with increasing hydrodynamic mixing (circulation) of the electrolyte and / or metal.

3. В традиционной технологии после обжига и пуска, пока на периферийной поверхности катода не образуется естественная настыль, состоящая из смеси замерзшего электролита и глинозема, ток от границы раздела «электролит-катодный алюминий» устремляется в толще алюминия по пути наименьшего сопротивления к краю углеродного катодного блока подины, ближе к бортовой футеровке, т.е. туда, где в период пуска электролизера еще не образовалась естественная настыль. При этом образуются горизонтальные составляющие тока, которые взаимодействуют с магнитным полем ошиновки электролизера и согласно закону Ампера (правилу левой руки) приводят в МГД движение расплавленный катодный алюминий, следствием чего является увеличение вероятности обратной реакции окисления алюминия, т.е. уменьшение выхода по току. Для предотвращения уменьшения выхода по току вынужденно увеличивают межполюсное расстояние (МНР), т.е. увеличивают напряжение, тепловые потери и энергозатраты электролиза.3. In traditional technology, after firing and starting, until a natural coating is formed on the peripheral surface of the cathode, consisting of a mixture of frozen electrolyte and alumina, the current from the electrolyte-cathode aluminum interface rushes into the thickness of aluminum along the path of least resistance to the edge of the carbon cathode hearth block, closer to the side lining, i.e. to the place where during the start-up of the electrolyzer a natural coating has not yet formed. In this case, horizontal components of the current are formed, which interact with the magnetic field of the electrolyzer busbar and, according to Ampere’s law (the rule of the left hand), cause molten cathode aluminum to move in MHD, which leads to an increase in the probability of the reverse reaction of aluminum oxidation, i.e. decrease in current output. To prevent a decrease in current efficiency, the interpolar distance (MNR) is forced to increase, i.e. increase voltage, heat loss and energy consumption of electrolysis.

Таким образом, одним из важнейших недостатков вышеуказанной конструкции являются относительно высокое омическое сопротивление МПР и высокий расход энергии.Thus, one of the most important disadvantages of the above design is the relatively high ohmic resistance of the MPR and high energy consumption.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототип) является патент РФ №2149924 «Катодное устройство электролизера для получения алюминия», МПК С25С 3/08, опубл. 27.05.2000 г. Катодное устройство, содержащее металлический кожух, выполненный в виде короба с продольными и поперечными стенками, и днище. Днища и стенки футерованы огнеупорными и теплоизоляционными слоями, при этом поперечные стенки содержат дополнительный слой изоляции в виде искусственной настыли из холоднонабивной подовой массы, расположенный между теплоизоляционными плитами поперечных стенок и днища. Между огнеупорным и теплоизоляционным слоями днища расположен слой теплопроводящего материала, выполненный из графитизированных плит.Closest to the proposed invention (prototype) is RF patent No. 2149924 "Cathode device of an electrolyzer for producing aluminum", IPC C25C 3/08, publ. 05/27/2000, a cathode device containing a metal casing, made in the form of a box with longitudinal and transverse walls, and the bottom. The bottoms and walls are lined with refractory and heat-insulating layers, while the transverse walls contain an additional insulation layer in the form of an artificial layer of cold-packed hearth mass located between the heat-insulating plates of the transverse walls and the bottom. Between the refractory and heat-insulating layers of the bottom is a layer of heat-conducting material made of graphitized plates.

Недостатком прототипа является наличие искусственной настыли только вдоль стенок на поперечных сторонах ванны, что лишь увеличивает тепловые потоки в продольных направлениях, но никак не ускоряет приведение технико-экономических параметров электролиза к оптимальным значениям режима нормальной эксплуатации и не защищает футеровку вдоль продольных стенок катода.The disadvantage of the prototype is the presence of artificial coating only along the walls on the transverse sides of the bath, which only increases heat fluxes in the longitudinal directions, but does not accelerate the reduction of the technical and economic parameters of electrolysis to the optimal values of normal operation and does not protect the lining along the longitudinal walls of the cathode.

Задачей изобретения является увеличение срока службы катода электролизера, снижение длительности пускового и послепускового периодов для снижения расхода электроэнергии.The objective of the invention is to increase the service life of the cathode of the electrolyzer, reducing the duration of the start and post-start periods to reduce energy consumption.

Техническим результатом является уменьшение МПР, напряжения и энергопотребления, увеличение выхода по току.The technical result is to reduce the MPR, voltage and power consumption, increasing the current efficiency.

Технический результат достигается тем, что в электролизере для производства алюминия, включающем 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 один или несколько угольных анодов, соединенных с анодной шиной, размещенных в верхней части ванны и погруженных в расплавленный электролит, согласно заявляемому изобретению на периферийной поверхности подины между бортовыми блоками и линией проекции анода на катоде размещены огнеупорные электроизоляционные криолитоустойчивые материалы.The technical result is achieved by the fact that in the electrolytic cell for aluminum production, comprising a cathode device containing a bath with a carbon bottom, laid out of coal blocks with mounted cathode current leads, enclosed in a metal casing, with refractory and heat-insulating materials placed between the metal casing and the coal blocks, the anode a device containing one or more carbon anodes connected to the anode bus, placed in the upper part of the bath and immersed in a molten electric ktrolit, according to the claimed invention, on the peripheral surface of the hearth blocks between the bead and the projection line of the anode at the cathode placed kriolitoustoychivye refractory insulating materials.

Существуют частные варианты выполнения данного устройства, способствующие достижению указанного технического результата.There are private options for implementing this device, contributing to the achievement of the specified technical result.

В качестве огнеупорного электроизоляционного криолитоустойчивого материала могут использовать плиты из карбида кремния и/или лом футеровки электролизеров, или магнезитовые кирпичи и/или лом футеровки электролизеров. Кроме того, огнеупорные электроизоляционные криолитоустойчивые материалы могут быть соединены между собой и катодом посредством огнеупорного клея.As a refractory electrical insulating cryolite-resistant material, silicon carbide plates and / or scrap lining of electrolytic cells, or magnesite bricks and / or scrap lining of electrolytic cells can be used. In addition, refractory electrical insulating cryolite-resistant materials can be interconnected with the cathode by means of refractory glue.

Приведенные выше варианты частного выполнения по изобретению не являются единственно возможными. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной первым пунктом формулы.The above particular embodiments of the invention are not the only ones possible. Various modifications and improvements are allowed without departing from the scope of the invention defined by the first claim.

В результате достигается существенная экономия энергии на ранней стадии работы электролизера в связи с возможностью уменьшения межполюсного расстояния (МПР) и напряжения электролизера, увеличивается срок службы катода алюминиевого электролизера, увеличивается выход по току.As a result, significant energy savings are achieved at an early stage of the cell operation due to the possibility of decreasing the interpolar distance (MPR) and the cell voltage, the cathode life of the aluminum cell increases, and the current efficiency increases.

В предлагаемом техническом решении, расположение дополнительного блока огнеупорного электроизоляционного криолитоустойчивого материала в зоне начала образования настыли, ближе к бортовой футеровке, уменьшает горизонтальные составляющие тока. Следовательно, увеличивается выход по току, уменьшается напряжение, тепловые потери и энергозатраты электролиза.In the proposed technical solution, the location of the additional unit of the refractory electrical insulating cryolite-resistant material in the zone of the onset of formation of nastily, closer to the side lining, reduces the horizontal components of the current. Therefore, the current efficiency increases, the voltage, heat loss and energy consumption of electrolysis decrease.

Закрытие периферийного шва катода плитами карбида кремния или магнезитовыми кирпичами приводит к защите периферийного шва от раннего проникновения электролита в периферийный шов, уменьшению натриевого расширения катода и увеличению срока службы катода электролизера.Closing the cathode peripheral weld with silicon carbide plates or magnesite bricks protects the peripheral weld from early penetration of the electrolyte into the peripheral weld, reduces the cathode's sodium expansion and increases the cathode’s life.

В течение первых 2-3 недель после пуска ванна начинает зарастать гарнисажем и формировать настыли. В традиционной конструкции настыль состоит, в основном, из оксида алюминия и электролита. В предлагаемом техническом решении материал настыли частично замещен дополнительными плитами из карбида кремния, возможно из лома футеровки электролизеров (например, боя блоков карбида кремния).During the first 2-3 weeks after start-up, the bath begins to overgrow with a skull and form accretions. In a traditional design, the overlay consists mainly of alumina and electrolyte. In the proposed technical solution, the material was partially replaced by additional plates of silicon carbide, possibly from scrap lining of electrolytic cells (for example, the battle of blocks of silicon carbide).

Возможно приклеивание плит карбида кремния или магнезитовых кирпичей огнеупорным клеем к поверхности катода и между собой.It is possible to glue silicon carbide plates or magnesite bricks with refractory glue to the cathode surface and to each other.

В отличие от прототипа, материалом искусственной настыли служат плиты из карбида кремния, или магнезитовые кирпичи, или плиты другого огнеупорного электроизоляционного криолитоустойчивого материала, возможно из отходов боя ранее использованного. Это обеспечивает дешевизну. При изготовлении материала искусственной настыли следует учитывать свойства выбранного материала. Выбранный материал должен иметь плотность выше плотности криолитоглиноземного расплава и жидкого алюминия, также иметь высокую теплопроводность и низкую электропроводность и высокую стойкость к криолитоглиноземному расплаву. Величина плотности материала выше плотности криолитоглиноземного расплава и расплава алюминия необходима для предотвращения перемещения блоков в электролизере. Высокая теплопроводность материала необходима для формирования на поверхности материала искусственной настыли слоя естественной настыли, защищающей материал от растворения в криолитоглиноземном расплаве в послепусковой период. Низкая электропроводность необходима для создания требуемой формы рабочего пространства, уменьшающей горизонтальные токи в алюминии и тем самым позволяющей уменьшить МПР при сохранении устойчивой работы электролизера, что, в свою очередь, уменьшает расход энергии.Unlike the prototype, the material of artificial nastily are plates made of silicon carbide, or magnesite bricks, or plates of other refractory electrical insulating cryolite-resistant material, possibly from battle waste previously used. This ensures low cost. In the manufacture of artificial nastily material, the properties of the selected material should be considered. The selected material must have a density higher than the density of cryolite-alumina melt and liquid aluminum, also have high thermal conductivity and low electrical conductivity and high resistance to cryolite-alumina melt. The density of the material is higher than the density of cryolite-alumina melt and aluminum melt is necessary to prevent the movement of blocks in the cell. High thermal conductivity of the material is necessary for the formation of a layer of natural coating on the surface of the artificial nastily material, which protects the material from dissolution in the cryolite-alumina melt in the post-launch period. Low electrical conductivity is necessary to create the required shape of the working space, which reduces horizontal currents in aluminum and thereby allows to reduce the MPR while maintaining the stable operation of the electrolyzer, which, in turn, reduces energy consumption.

В качестве материала искусственной настыли могут быть использованы различные материалы. Предлагается использование карбидокремниевых блоков, поскольку при взаимодействии с криолитоглиноземным расплавом на поверхности блока карбида кремния формируется слой SiO₂, предотвращающий дальнейшее растворение блока в расплаве. Магнезитовый кирпич обладает меньшей стойкостью к криолитоглиноземному расплаву, однако, как предполагается, не растворяется в расплаве из-за низкой скорости движения (циркуляции) расплава в первые 48 часов работы электролизера. Обычно после первых 48 часов с начала пуска в электролизер заливают алюминий, закрывающий поверхности магнезитовых кирпичей. Поскольку магнезит не смачивается алюминием, на границе между магнезитом и алюминием появляется слой замерзшего криолита, защищающий кирпич при дальнейшей работе электролизера.As an artificial nastily material, various materials can be used. It is proposed to use silicon carbide blocks, because when interacting with cryolite-alumina melt, a SiO ₂ layer is formed on the surface of the silicon carbide block, which prevents further dissolution of the block in the melt. Magnesite brick is less resistant to cryolite-alumina melt, however, it is assumed that it does not dissolve in the melt due to the low speed (circulation) of the melt in the first 48 hours of operation of the electrolyzer. Usually, after the first 48 hours from the start of start-up, aluminum is poured into the electrolyzer, covering the surfaces of magnesite bricks. Since magnesite is not wetted by aluminum, a layer of frozen cryolite appears on the boundary between magnesite and aluminum, protecting the brick during further operation of the electrolyzer.

На фиг. 1 изображен электролизер, состоящий из угольного анода 1, подины из катодных угольных блоков 2 с токоподводящими блюмсами 3, слоем криолит-глиноземного электролита 4 и слоя катодного алюминия 5, бортовых блоков 6, периферийного набивного шва 7, гарнисажа 8 и искусственной настыли 9, выполненной из огнеупорного электроизоляционного криолитоустойчивого материала в форме плиты из карбида кремния.In FIG. 1 depicts an electrolyzer consisting of a carbon anode 1, cathodic coal blocks 2 with current-carrying blooms 3, a layer of cryolite-alumina electrolyte 4 and a layer of cathode aluminum 5, side blocks 6, a peripheral stuffed joint 7, a skull 8 and an artificial overlay 9 made from refractory electrical insulating cryolite-resistant material in the form of a plate of silicon carbide.

Пример 1.Example 1

В таблицах 1-6 даны результаты лабораторных испытаний цилиндрических образцов отходов боя плит из карбида кремния (табл. 1-2) и магнезитовых кирпичей (табл. 3-6) при воздействии потока расплава/электролита в диапазоне скоростей 8-32 см/с.Tables 1-6 give the results of laboratory tests of cylindrical samples of the battlefield waste from silicon carbide plates (Table 1-2) and magnesite bricks (Table 3-6) when exposed to a melt / electrolyte flow in a speed range of 8-32 cm / s.

Из таблиц 1-6 видно, что абсолютное и относительное изменение массы и размеров образцов карбида кремния отходов боя плит из карбида кремния (табл. 1-2) и магнезитовых кирпичей (табл. 3-6) при воздействии потока расплава электролита в диапазоне скоростей 8-32 см/с составляет незначительную величину и пригодно для использования в качестве искусственной настыли катода алюминиевого электролизера.From tables 1-6 it can be seen that the absolute and relative change in the mass and size of samples of silicon carbide from the waste of the battle of slabs made of silicon carbide (Table 1-2) and magnesite bricks (Table 3-6) when exposed to an electrolyte melt flow in a speed range of 8 -32 cm / s is negligible and is suitable for use as an artificial layer of cathode of an aluminum electrolyzer.

Таким образом, применение материала искусственной настыли из плит карбида кремния или магнезитовых кирпичей является достаточно простым, не требует использования трудоемких технологических процессов и сложного оборудования. Материал настыли по своим свойствам (по величине теплопроводности, электропроводности, плотности и стойкости к криолитоглиноземному расплаву) удовлетворяет требованиям, для материала искусственной настыли, обеспечивает уменьшение длительности пускового режима электролизера, уменьшение МПР, напряжения и энергопотребления, увеличение выхода по току и срока службы катода электролизера.Thus, the use of artificial cover material made of silicon carbide plates or magnesite bricks is quite simple, does not require the use of labor-intensive technological processes and sophisticated equipment. The material accrues in its properties (in terms of thermal conductivity, electrical conductivity, density and resistance to cryolite-alumina melt) satisfies the requirements for the material of artificial accretion, provides a reduction in the duration of the starting mode of the electrolyzer, a decrease in the MPR, voltage and power consumption, an increase in current efficiency and the life of the cathode of the electrolyzer .

Claims (4)

1. Электролизер для производства алюминия, содержащий 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 один или несколько угольных анодов, соединенных с анодной шиной, размещенных в верхней части ванны и погруженных в расплавленный электролит, отличающийся тем, что на периферийной поверхности подины между бортовыми блоками и линией проекции анода на катод размещен слой огнеупорных электроизоляционных криолитоустойчивых материалов.1. An electrolytic cell for the production of aluminum, comprising a cathode device containing a bath with a carbon bottom, laid out of coal blocks with mounted cathode current leads enclosed in a metal casing, with refractory and heat-insulating materials placed between the metal casing and the coal blocks, an anode device containing one or several carbon anodes connected to the anode busbar, located in the upper part of the bath and immersed in a molten electrolyte, characterized in that the peripheral On the surface of the hearth between the airborne blocks and the line of projection of the anode onto the cathode, a layer of refractory electrical insulating cryolite-resistant materials is placed. 2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что слой огнеупорного электроизоляционного криолитоустойчивого материала выполнен в виде плит из карбида кремния и/или лома футеровки электролизеров.2. The cell according to claim 1, characterized in that the layer of refractory electrical insulating cryolite-resistant material is made in the form of plates of silicon carbide and / or scrap lining of electrolyzers. 3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что слой огнеупорного электроизоляционного криолитоустойчивого материала выполнен в виде магнезитовых кирпичей и/или лома футеровки электролизеров.3. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the layer of refractory electrical insulating cryolite-resistant material is made in the form of magnesite bricks and / or scrap of the lining of electrolyzers. 4. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что огнеупорные электроизоляционные криолитоустойчивые материалы соединены между собой и катодом посредством огнеупорного клея.4. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the refractory electrical insulating cryolite-resistant materials are interconnected with the cathode by means of refractory glue.

Images