EA012225B1

EA012225B1 - Способ in-situ формирования щелей в аноде содерберга

Info

Publication number: EA012225B1
Application number: EA200800720A
Authority: EA
Inventors: Сянвэнь ВАН; Алтон Т. Таберо; Джерри Л. Родди; Ален Дж. Белда
Original assignee: Алкоа Инк.
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2009-08-28
Also published as: WO2007027732A2; ZA200802535B; EP1920086A2; CN101379223A; EA200800720A1; WO2007027732A3; BRPI0615403A2; US20070045104A1; AU2006284903A1; US7384521B2; CA2619085A1

Abstract

Предложен самообжигающийся угольный анод (40) типа Содерберга, предназначенный для применения в алюминиевом электролизере (1) с образованием продукта алюминия (11), причем этот анод (40) расходуется в расплавленном электролите (12) в электролизере и имеет верхнюю, нижнюю и боковые поверхности и множество слоев вертикально расположенных пластин-вставок (48), плавящихся в расплавленном электролите, при этом пластины-вставки (48) предпочтительно изготовлены из алюминия и способны плавиться, создавая полые щели (52) в нижней части анода, облегчающие отвод любых образующихся газовых пузырьков (60) к боковой стороне анода в электролите (12).

Description

Заявка на данное изобретение испрашивает приоритет заявки США № 11/215586, поданной 30 августа 2005 г., которая включена в описание посредством ссылки.

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к использованию щелей в самообжигающихся угольных анодах, предназначенных для применения в алюминиевых электролизерах, причем эти щели отводят анодный газ от анодных поверхностей.

Предпосылки изобретения

Алюминий традиционно получают путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленных электролитах на основе криолита (обычно в виде ЫаЕ плюс А1Р₃) при температурах между примерно 900 и 1000°С; такой процесс известен как процесс Холла-Эру. Электролизер восстановления/«электролизная ванна» Холла-Эру обычно включает в себя стальной кожух, имеющий теплоизолирующую облицовку из огнеупорного материала, который, в свою очередь, имеет угольную футеровку, контактирующую с расплавленными компонентами. Стержни-проводники, соединенные с отрицательным полюсом источника постоянного тока, заделаны в угольную подложку катода, образующего донную стенку электролизера. Как правило, угольные аноды расходуются с выделением газообразных оксидов углерода (СО₂ и СО) в виде газовых пузырьков и т.п.

Для производства алюминия электролитическим способом Холла-Эру обычно применяют две анодные технологии. Одна из них представляет собой технологию с использованием предварительно обожженного анода, охарактеризованную в упомянутом выше патенте США № 2480474, а также в публикации патентной заявки США № 20050199488, поданной 11 марта 2004 г. (Вагс1ау с1 а1.). Другая представляет собой технологию с использованием электролизеров с самообжигающимся анодом «Содерберга», охарактеризованную в патенте США № 3996117 (Сгайат с1 а1.). В электролизере с предварительно обожженными анодами обычно имеется от 10 до 40 анодов в зависимости от размера (силы тока в амперах) электролизера. Электролизеры Содерберга имеют только один большой самообжигающийся анод, имеющий приблизительный размер 2-3 м в ширину и 5-6 м в длину. Такой самообжиг описан Содербергом в патенте США № 1440724.

Как описано Эдвардсом с соавторами (Еб^атбк с1 а1.) в А1итшит апб Й8 Ргобисбоп, МССта^-НШ, Ысет Уотк, 1930, р. 300-307, угольные аноды могут быть изготовлены из смеси угля, пека и смолы, которую прессуют в матрицах, а затем обжигают в обжиговой печи, либо они могут быть изготовлены по технологии Содерберга. По технологии Содерберга для размещения углеродистой электродной массы из угля и смолы-пека используют стальной кожух. Электродную смесь постепенно обжигают, получая плотный, обожженный угольный электрод с хорошей удельной проводимостью, который постепенно продвигают к электролитам, где он наконец расходуется.

Расход угольных анодов в расплавленном электролите представлен в описаниях патентов США № 2480474 и 3756929 (1о1ш5оп. фиг. 6а, и §сбт1б!-Набшд с1 а1., фиг. 1, соответственно). Аноды, по меньшей мере частично, погружены в расплав электролита, и эти аноды, а также поддерживающие их конструкции регулярно заменяют после того, как уголь израсходован. Во время работы электролизера в расплав подают глинозем, при этом важно иметь высокую степень растворения глинозема. Пузырьки анодного газа будут способствовать созданию/являться причиной течения и турбулентности в расплаве. Важно, чтобы пузырьки анодного газа создавали хорошую турбулентность до уровня, способствующего повышению растворения глинозема.

Традиционная технология основана на использовании естественных потоков газов из-под угольных анодов во время процесса восстановления алюминия, однако это замедляет удаление газовых пузырьков и снижает эффективность производства алюминия. Такое присутствие и скопление газа, образующегося во время электролиза, являлось постоянной проблемой в данной отрасли промышленности и причиной высоких потребностей в энергии, и при этом для эффективной работы электролизеров электроды должны быть правильно сконструированы.

Со своей большой площадью нижней поверхности аноды Содерберга могут представлять собой серьезные проблемы при выделении газа. В электролизере с самообжигающимся анодом типа Содерберга во время электролиза на нижней поверхности единственного анода образуется большое количество анодного газа (от 40 до 50 кг СО₂/ч), при этом анодному газу приходится проходить значительное расстояние до того, как он может быть отведен с нижней поверхности анода. Пузырьки газа сливаются и становятся еще больше, прежде чем они покинут нижнюю поверхность большого анода. Такой процесс формирования, слияния и покидания/удаления пузырьков анодного газа с поверхности анода вызывает существенную нестабильность электролизера, поэтому электролизеры Содерберга обычно имеют более низкий выход по току, чем электролизеры с предварительно обожженными анодами. В то же время пузырьки анодного газа покрывают большой процент нижней поверхности анода, что приводит к значительному повышению электрического сопротивления и напряжения электролизера, приводя к большему потреблению энергии, чем при использовании электролизеров с предварительно обожженными анодами. Например, в патенте США № 3996117 (Сгайат с1 а1.) описан угольный блочный анод, расположенный между стальным кожухом, в котором анодный газ, в основном СО₂, по существу, захватывается под гли

- 1 012225 ноземсодержащей коркой. В патенте США № 5030335 (Океп) установлено, что захваченный СО₂-содержащий газ является проблемой при его подаче в горелку дожигания, поскольку такой газ будет также содержать летучие вещества из пека, и продукт сгорания должен быть подвергнут влажной или сухой чистке. К тому же разломы в корке будут способствовать утечке газа в печную установку. В патенте 01§еп для предотвращения утечки используют множество съемных крышек. В данном патенте боковой стальной кожух/коллектор для анода Содерберга описан более четко. Однако ни одна из этих двух известных конструкций электролизера Содерберга не решает проблем образования газообразного СО₂ в нижней части анода.

Необходима конструкция угольного анода Содерберга, который будет быстро отводить анодный газ с нижней горизонтальной поверхности с целью повышения выхода электролизера по току, повышения стабильности электролизера и снижения электрического сопротивления.

Сущность изобретения

Основная задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить конструкцию электролизера/анода Содерберга, которая снижает количество газовых пузырьков на нижней поверхности самообжигающихся анодов Содерберга.

Вышеупомянутые потребности удовлетворяются, а задача решается путем обеспечения ряда плавких пластин-вставок и соответствующих щелей в аноде Содерберга. Согласно одному из аспектов предложен алюминиевый электролизер, содержащий такой анод Содерберга, т.е. угольный анод типа Содерберга, расходуемый в расплавленном электролите и имеющий верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, с электропроводящими вертикальными металлическими штырями, расположенными внутри тела анода, причем анод работает в расплавленном электролите в алюминиевом электролизере, в котором на нижней поверхности анода образуются газовые пузырьки, при этом анод является перемещаемым в вертикальном направлении вниз в расплавленный электролит по мере его расходования, и при этом анод имеет множество выходящих наружу щелей в нижней части своей поверхности вдоль горизонтальной оси анода. Такие щели подвергаются воздействию расплавленного электролита и имеют конфигурацию, позволяющую пузырькам анодного газа выходить из электролита и наружу из анода без закупоривания этих щелей. Анод включает множество слоев или рядов пластин-вставок, содержащих по меньшей мере одно из алюминия, оксида алюминия, криолита и их смесей, при этом нижний слой вставок будет плавиться/растворяться при перемещении анода вниз в расплавленный электролит, образуя щели в нижней части анода при контакте с электролитом.

Щели анода могут иметь любую ориентацию (например, вертикальную ориентацию) и обычно не являются непрерывными.

Такие не непрерывные (прерывистые) щели формируют в угольном аноде Содерберга таким образом, что пузырьки и слившиеся пузырьки, образовавшиеся на поверхностях электролита, затекают в щели, и эти щели способствуют перемещению пузырьков наружу от центра нижней поверхности анода по направлению к боковой стороне анода. Поэтому пластины-вставки могут быть нужного размера для достижения желаемого размера щели по ширине, длине и высоте. Ширина пластин-вставок (а значит, и ширина щели) может быть выбрана таким образом, что они делают возможными непрерывное отведение значительного количества анодного газа и нужную скорость течения газа. Щели предпочтительно не должны разрушаться или закупориваться анодными газами. Высота пластин-вставок определяет глубину щелей, которая определяет срок службы каждой щели. Например, ширина щелей (толщина пластинвставок) может составлять от примерно 0,75 до примерно 1,5 см, предпочтительно от 1,0 до 1,3 см, для традиционных анодов типа Содерберга. В традиционных анодах Содерберга высота пластин-вставок может составлять от 6 до 50 см, предпочтительно от 9 до 20 см, что может давать щели, сохраняющиеся в традиционных угольных анодах от 6 до 14 дней. Длина пластин-вставок зависит от ширины анода Содерберга. Прочность и целостность угля анода также принимаются во внимание.

Самые верхние щелеобразующие пластины могут быть расположены между рядами стальных анодных штырей/штифтов/шипов. Таким образом, щели могут быть сформированы/расположены в удаленных местах между рядами анодных штырей/шипов (не соприкасаясь со штырями). Для того чтобы обеспечить достаточное число щелей во время работы, вставки-пластины могут быть вставлены между каждым вторым рядом штырей (альтернативно вставке пластин между смежными рядами стальных анодных штырей).

Согласно другому аспекту предложен самообжигающийся угольный анод типа Содерберга, расходуемый в расплавленном электролите, имеющий верхнюю, нижнюю и боковые поверхности и содержащий множество слоев вертикально расположенных пластин-вставок, причем эти пластины-вставки содержат по меньшей мере одно из алюминия, оксида алюминия, криолита и их смесей и способны плавиться, тем самым создавая щели в нижней части анода, позволяющие любому газу, образовавшемуся при работе анода, проходить через щели к боковой стороне анода. В одном из вариантов реализации пластины-вставки изготовлены из алюминия или алюминиевого сплава с низким содержанием примесей. Таким образом, анод может включать в себя множество пластин-вставок, окруженных анодным материалом на основе углерода. Пластины-вставки могут быть расположены на различных вертикальных уровнях внутри анода. Например, пластины-вставки могут быть расположены в четыре различных слоя внут

- 2 012225 ри анода. Слои пластин-вставок могут быть различными или же эти слои могут перекрываться, например, вдоль горизонтальной оси анода (например, первый набор пластин-вставок может быть расположен вокруг первой горизонтальной оси, а второй набор пластин-вставок может быть расположен вокруг второй горизонтальной оси, при этом расстояние между этими двумя горизонтальными осями является меньшим, чем длина набора пластин-вставок). Пластины-вставки могут быть выровнены в вертикальном направлении, при этом множество пластин-вставок совмещено с вертикальной осью анода (например, первый набор пластин-вставок может быть совмещен с первой вертикальной осью, а второй набор пластин-вставок может быть совмещен со второй вертикальной осью). В частном варианте реализации анод включает в себя по меньшей мере четыре различных слоя пластин-вставок, при этом каждый слой включает в себя множество пластин-вставок. Анод может также включать в себя множество щелей, расположенных поблизости от нижней части анода. Как описано выше, эти щели формируются в результате плавления пластин-вставок.

Согласно еще одному аспекту предложены способы формирования анода Содерберга, включающие в себя стадии добавления угольной массы в верхнюю часть кожуха, содержащего внутри себя анод Содерберга, введения пластин-вставок в эту угольную массу и опускания угольной массы по направлению к расплавленному электролиту. Такие способы могут включать в себя стадию(и) подачи дополнительной угольной массы в верхнюю часть кожуха и/или введения дополнительных пластин-вставок в эту угольную массу. Любой из вышеупомянутых стадий может сопутствовать стадия получения алюминия с помощью алюминиевого электролизера, взаимосвязанного с анодом Содерберга. Число пластинвставок/щелей и конфигурации пластин-вставок/щелей могут быть выбраны так, чтобы эффективно и продуктивно ограничивать образование больших газовых пузырей и отводить анодный газ от анодной поверхности во время работы электролизера, таким образом улучшая выход электролизера по току и стабильность электролизера. Кроме того, снижение количества газовых пузырьков на нижней поверхности анодов Содерберга будет значительно уменьшать электрическое сопротивление, понижать общее напряжение электролизера и тем самым снижать потребление электролизером электрической энергии. Также предложены способы производства алюминия с использованием вышеописанных анодов Содерберга.

Как уже может быть понятно, различные из вышеописанных аспектов, подходов и/или вариантов реализации могут быть скомбинированы для создания различных систем и способов углетермического производства по изобретению. Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки изобретения частично представлены в нижеследующей части описания и станут очевидными специалистам в данной области техники после ознакомления с последующим описанием и фигурами, либо могут быть установлены путем практического осуществления данного изобретения.

Краткое описание чертежей

Полное понимание изобретения может быть достигнуто после ознакомления со следующим подробным описанием изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:

фиг. 1 представляет собой частичный вид в разрезе одного типа известного из уровня техники электролизера с традиционным самообжигающимся анодом типа Содерберга, подобного представленному в описании патента США № 3996117;

фиг. 2 представляет собой схематический частичный вид спереди, частично в разрезе, части электролизера с самообжигающимся анодом типа Содерберга согласно данному изобретению, иллюстрирующий множество щелей и заделанных алюминиевых пластин-вставок внутри анода;

фиг. 3 представляет собой схематический частичный вид сбоку, частично в разрезе, электролизера, проиллюстрированного на фиг. 2;

фиг. 4 представляет собой увеличенный частичный вид рабочей части фиг. 3, иллюстрирующей анод в процессе изменения в алюминиевом электролизере, в котором образована щель после того, как расплавилась алюминиевая пластина-вставка, и в котором окружающий угольный анод, показанный пунктирной линией, образует пузырьки, и эти пузырьки затекают в щель, с целью облегчения удаления пузырьков;

фиг. 5 представляет собой схематический вид сверху в разрезе самообжигающегося анода Содерберга, иллюстрирующий одно из расположений алюминиевых пластин-вставок на двух вертикальных уровнях анода;

фиг. 6 представляет собой сравнительный график шумов напряжения анод-ванна (В) электролизеров Содерберга с традиционными анодами Содерберга в сравнении с щелевыми анодами Содерберга;

фиг. 7(а) и 7(Ь) представляют собой сравнительные графики типичного анодного потенциала в зависимости от времени, иллюстрирующие результаты формирования и удаления газовых пузырьков на анодных поверхностях традиционных анодов Содерберга и щелевых анодов Содерберга;

фиг. 8(а) и 8(Ь) представляют собой сравнительные графики напряжения (В) на ванне электролизера в зависимости от времени, иллюстрирующие флуктуацию напряжения электролизера с традиционным анодом Содерберга и электролизера со щелевым анодом Содерберга; и фиг. 9 представляет собой сравнительный график падения напряжения от анодных газовых пузырьков, измеряемого на анодах Содерберга со щелями и без них.

- 3 012225

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует один из типов традиционного самообжигающегося анода 13 типа Содерберга на углеродной основе, работающего в расплавленном электролите 12 в алюминиевом электролизере 1. Такой электролизер 1 включает в себя стальной кожух 10, слой 11 получаемого расплавленного металлического алюминия и расплав электролита 12. Пузырьки анодного газа (в основном СО₂) появляются в виде больших захваченных пузырьков 2 в нижней части 3 анода 13, сливающихся в более крупные пузырьки 4 около боковой стороны 5 анода 13 и, наконец, освобождающихся в виде больших пузырей 6, двигающихся вверх, как показано стрелкой 7. В расплаве 12 подвешен положительный (+) анод Содерберга 13. С анодом Содерберга связаны металлические, обычно стальные, шипы/проводники/штыри 14а, 14Ь и 14с, которые подсоединены к положительному полюсу источника электрического тока. На верхних боковых сторонах анода предусмотрен металлический, обычно стальной кожух 15, где компоненты анода еще не затвердели (не обожжены) в достаточной мере для того, чтобы поддерживать себя самостоятельно. По мере расходования анода, как показано неправильной нижней частью 3, его перемещают вниз в электролит, что показано темной верхней стрелкой 17.

Окружающий анод коллектор 16 может быть использован для обеспечения верхней стороны пористой корки 28 и для содействия сбору испарений, обычно через традиционную вытяжную горелку (не показана). Слой (или прослойка) 11 расплавленного алюминия покоится на углеродистой блочной футеровке 19 и углеродистой набивной футеровке 20. Эти углеродистые футеровки могут опираться на шамотную засыпку 21. Между набивной футеровкой и засыпкой необязательно может быть проложена какая-либо каменная плитка 22. Следом за каменной плиткой 22 может находиться слой красного кирпича 23. С целью обеспечения дополнительной степени защиты от протекания тока через кожух 10 может быть использован слюдяной мат 18.

Катодный ток подают по стальным стержням 24 на блочную футеровку 19. Подачу тока, соответственно, обозначают знаками плюс и минус на аноде 13 и на соединительном стержне 24.

Плита 25, предусмотренная на верхней кромке стального кожуха 10, может служить для защиты углеродистой футеровки при разбивании корки 28 с целью подачи дополнительного количества глинозема в расплав 12. Корка 28 образована из свободных частиц 29а глинозема. На своей нижней стороне корка частично превращается в спеченный, богатый глиноземом материал 29Ь. Рабочие параметры выбирают таким образом, чтобы боковые стороны прослойки 11 металлического алюминия и расплава 12 ограничивал застывший слой 30 глинозема и расплава. Предпочтительно, чтобы слой 30 доходил, по меньшей мере, до нижнего конца наклона набивной футеровки 20.

Как показано в таком известном из уровня техники аноде Содерберга 13, как нижняя часть 3, так и боковая сторона 5 являются плоскими, и пузырьки 2 и 4, по существу, захватываются под стороной анода между положительным и отрицательным полюсами в полусплошном слое пузырьков. С целью облегчения удаления таких пузырьков был разработан анод Содерберга, показанный на фиг. 2-5.

Как показано на фиг. 2-5, такой новый и усовершенствованный самообжигающийся анод 40 типа Содерберга на углеродной основе имеет верхнюю 42, нижнюю 44 и боковые 46 поверхности, при этом нижняя поверхность 44 находится в контакте с расплавленным электролитом и погружена в расплавленный электролит 12, обычно расплавленный электролит на основе криолита Να₃Α1Ρ₆ (ΝαΡ+Α1Ρ₃,). который будет работать при температуре от примерно 800 до примерно 1100°С, обычно от 900 до 1000°С. Под расплавленным электролитом 12 формируется слой (или прослойка) 11 полученного алюминия, причем этот алюминий также действует как катод. Катодный соединительный стержень обозначен цифрой 24, а металлические анодные проводники - цифрой 14. Анод Содерберга 40 может быть изготовлен из сухой или влажной массы, которая обычно содержит от 20 до 30 мас.% каменноугольной смолы/нефтяного пека и от 70 до 80 мас.% прокаленного нефтяного кокса. На фиг. 2-5 также показаны металлические анодные проводники, такие как стальные шипы/штифты/штыри 14 (далее - «штыри»); металлическая, например стальная, анодная обшивка/кожух 15. Также показана футеровка 20, в нижней части которой может находиться соединительный стержень 24. На фиг. 2, 3 также показана анодная балка 57 для поднятия или опускания анодов. Нижний край щели обозначен цифрой 63, а окружающий щель анод обозначен цифрой 40'.

Как показано на фиг. 2-4, плавкие алюминийсодержащие листы, пластины или вставки, далее - «пластины-вставки» 48, размещают внутри анода 40 в виде слоев или рядов вдоль горизонтальной оси, такой как ось 66, и на нескольких вертикальных уровнях 50. Такие пластины-вставки способны плавиться по мере того, как нижняя часть 44 анода 40 обжигается в расплавленном криолите 12, создавая выходящие наружу вертикальные полые щели 52, представленные здесь в идеальном виде как полностью расплавленные, лучше всего показанные на виде сбоку фиг. 3 и 4, в нижней части анода. Таким образом, как показано на фиг. 4, анодные газы (например, СО₂), образующиеся во время работы электролизера, могут легко отводиться через открытые щели 52 к боковой стороне анода.

Пластины-вставки (например, затвердевшие/плавленые/формованные пластины) могут содержать алюминий и допустимые количества любых других материалов, которые при плавлении не приводят к неприемлемому уровню загрязняющих примесей в получаемом алюминии. Такие другие материалы мо

- 4 012225 гут включать различные оксиды алюминия (например, один или более из Л1₂0з; А1₂О₃-Н₂О; А1₂О₃-2Н₂О и А1₂О₃-3Н₂О), такие как формованные или плавленые оксиды алюминия, и/или криолит (также формованный или плавленый). Используемый здесь термин «криолит» охватывает Иа₃А1Р₆, А1Е₃ и подобные добавки. Алюминий может быть в виде сплава, такого как алюминиевый сплав, содержащий один или более из Ее, N1, Си, Ζη, Со или других металлических материалов. Например, пластины-вставки могут быть алюминиевыми, т.е. состоящими, по существу, из алюминия, либо пластины-вставки могут быть из алюминиевого сплава с низким содержанием примесей, например алюминиевого сплава, содержащего менее примерно 0,1 мас.% Ее, менее примерно 0,02 мас.% N1, менее примерно 0,05 мас.% Си, менее примерно 0,02 мас.% Ζη и/или менее примерно 0,02 мас.% Со, так что, когда этот алюминиевый сплав расплавится, количество неалюминиевых компонентов в расплаве продукта будет коммерчески приемлемым. Использование алюминиевых пластин в качестве материала пластин является желательным еще и потому, что алюминий остается твердым во время стадии обжига угольной массы, которая происходит при температуре от 300 до 600°С.

Высота 54, длина 56 и ширина вставок 48 могут быть подогнаны в соответствии с размером анода 40. В случае традиционных анодов Содерберга щели 52 и пластины-вставки 48 обычно имеют высоту 54, составляющую от примерно 6 до 50 см, предпочтительно от 13 до 20 см. В случае традиционных анодов, если размер пластин-вставок составляет менее 6 см., стоимость труда может возрасти из-за того количества пластин, которые будет необходимо вставлять во время работы электролизера, а в том случае, если размер пластин-вставок составляет более 50 см, при использовании криолита может произойти утечка массы; также возникает угроза целостности анода. В случае традиционных анодов длина 56 пластинвставок и щелей обычно варьируется от примерно 50 до примерно 120 см в зависимости от длины боковой стороны анода. В случае традиционных анодов, если длина пластин-вставок составляет менее 50 см, большая часть анодной поверхности не может быть покрыта щелями и поэтому не является такой эффективной. В случае традиционных анодов ширина (толщина) обычно составляет между 0,75 и 1,5 см.

Обращаясь к фиг. 4, для более четкой картины работы электролизера представлен увеличенный частичный вид сбоку по фиг. 3. На фиг. 4 анод 40 продвинулся вниз и полностью расплавляет пластинувставку нижнего слоя, обеспечивая щель 52, за счет теплоты от расплавленного электролита, который имеет более высокую температуру, чем точка плавления пластины-вставки. Расплавленная пластинавставка «падает» в прослойку металла, оставляя за собой прямоугольную щель, такую как щель 52 на фиг. 4. Такая щель 52 отводит газовые пузырьки 60 с локальной анодной поверхности, обозначенной пунктирными линиями 13'.

Пластины-вставки 48 окружены анодом, за исключением того, когда пластины-вставки граничат с расплавленным электролитом 12, поэтому анод продолжает реагировать с расплавленным электролитом, образуя пузырьки 60 и расходуясь. Пузырьки 60 будут затекать в щели 52, оставшиеся после плавления пластин-вставок. Обычно происходит слияние в большие агломераты пузырьков. Более крупные пузырьки затем сливаются в гигантский покров из пузырьков 61. Стрелки 7 показывают путь пузырьков наверх. На фиг. 1 и 4, когда пузырьки покидают электролит 12, они становятся частью газообразной атмосферы над электролитом. Также представлены необязательный коллектор 16 и корка из свободных частиц 29а глинозема и спеченного богатого глиноземом материала 29Ь.

В углеродистой блочной футеровке 19 содержатся соединительные стержни 24. Металлические штыри не представлены на фиг. 4 для простоты. Алюминиевые пластины-вставки взаимно распределены по телу анода 40 без какого-либо обязательного конкретного порядка, но предпочтительно в несколько слоев (например, один, два, три, четыре или более слоев), вертикальными колонками 64, один под другим, и выровнены в промежутке между штырями 14, как лучше всего представлено на фиг. 2. Алюминиевые пластины-вставки 48 расположены между металлическими штырями 14 так, как показано на фиг.

2. Как показано на фиг. 5, металлические штыри могут быть смещены под углом, как показано, причем в такой ситуации пластины-вставки также будут смещенными и в целом параллельными металлическим штырям. На фиг. 5 набор пластин-вставок 48а соответствует верхней пластине-вставке 48а на фиг. 2, в то время как пластина-вставка, показанная пунктирной линией 48Ь, соответствует пластиневставке 48Ь в следующей колонке и слое, на один слой ниже на фиг. 2. Может быть также использована проходящая от конца к концу пластина-вставка 48с, и она может быть прикреплена к другим вставкам или расположена отдельно от других вставок.

Щели 52 могут быть сформированы и сохранены в анодах Содерберга путем периодического введения пластин-вставок 48 в необожженную угольную анодную массу или брикеты в верхней части анодов. Щелеобразующие пластины обычно вставляют в угольную анодную массу, по существу, в вертикальном положении в верхней части анодов между стальными анодными штырями 14.

По мере расходования анода пластины-вставки 48 будут продвигаться вниз вместе со всей анодной массой. Они будут плавиться (оставляя пустое пространство и образуя щели 52 при контакте с электролитом), а металл будет возвращаться в прослойку металла после того, как анодная секция (с пластинами) опускается в расплав. Пластины-вставки не должны ухудшать качество металлического алюминия загрязняющими примесями.

- 5 012225

На фиг. 2-4 показано, где вставляются алюминиевые пластины сверху анода наряду с загрузкой анодной массы и образуются вертикальные щели после вытекания металлического алюминия в расположенный внизу слой металла после того, как анодная секция опускается вниз и вступает в контакт с расплавленной ванной.

Помимо размещения пластин-вставок сверху донизу для выполнения вертикальных щелей в анодах Содерберга, специфические детали пластин-вставок (или размеры щелей), включая число используемых пластин-вставок, расстояние между пластинами-вставками и размеры пластин-вставок, также считаются частью изобретения. Число щелей/вставок в аноде Содерберга может быть отрегулировано так, чтобы снизить шум в электролизной ванне (например, повышая стабильность электролизной ванны) и уменьшить падение напряжения от пузырьков анодного газа.

Примеры

Падение напряжения от пузырьков анодного газа со щелями и без них в анодах Содерберга продемонстрировано на фиг. 9, представляющей сравнение падения напряжения от пузырьков анодного газа, измеряемого в различных местах на анодах Содерберга со щелями и без них. Аноды Содерберга без щелей показаны как напряжения 120, а аноды Содерберга со щелями показаны как напряжения 125. Падение напряжения от газовых пузырьков на нормальных анодах Содерберга может составлять более 0,4 В. Когда на поверхности имеются щели, падение напряжения от газовых пузырьков может быть снижено даже до 0,15 В, при этом разница составляет целых 0,25 В. Это является существенным, поскольку представляет собой потенциальную экономию напряжения на электролизной ванне в результате введения щелей в анод Содерберга.

Присутствие щелей снижает размер пузырьков анодного газа до удаления/утекания анодного газа с поверхности анода Содерберга. На фиг. 7(а) представлен анодный потенциал (по отношению к электроду из металлического А1), реагирующий на повторяющиеся процессы образования газовых пузырьков на аноде Содерберга слияния удаления с поверхности анода, не имеющей щелей. Каждый пик и впадина в этом спектре представляют циклы от образования до удаления газовых пузырьков. Амплитуда флуктуации потенциала (напряжения), а также время, истекшее до завершения цикла, определяют объем формирования анодного газа до его удаления. При наличии щелей на поверхности анода Содерберга размер пузырьков анодного газа, а также процессы формирования и удаления газовых пузырьков могут изменяться. Как видно на фиг. 7(Ь), амплитуда анодного потенциала существенно снижается. Сильно сниженный размер пузырьков анодного газа (формирование и удаление под анодом Содерберга) при наличии многочисленных щелей на поверхности анода Содерберга преобразовывается в сниженное падение напряжения от пузырьков и более стабильную электролизную ванну с пониженным шумом.

Флуктуации напряжения на электролизной ванне при анодах Содерберга со щелями и без них соответственно представлены на фиг. 8(Ь) и 8(а). Величина размера пузырьков анодного газа также переносится на стабильность электролизной ванны (шум). Показанные на фиг. 8(а) типичные флуктуации напряжения электролизной ванны записаны с использованием традиционной электролизной ванны Содерберга. Напряжение на электролизной ванне колеблется от низкого напряжения 4,2 В до высокого напряжения 4,5 В, что обусловлено прежде всего процессами образования и удаления пузырьков анодного газа. Амплитуда флуктуации напряжения электролизера может быть значительно снижена с помощью формирования щелей на поверхности анода Содерберга за счет прерывания образования больших газовых пузырьков на анодной поверхности. На фиг. 8(Ь) представлено изменение напряжения электролизера в зависимости от времени с существенно сниженной амплитудой флуктуации при наличии щелей. Напряжение электролизера варьируется от низкого 4,3 В до высокого 4,4 В. На фиг. 8(Ь) представлена запись время-напряжение электролизера, имеющая намного меньшую флуктуацию напряжения благодаря щелям, предотвращающим образование и удаление больших газовых пузырьков на поверхности анода Содерберга.

Экспериментальные аноды Содерберга, содержащие внутри себя вертикально расположенные алюминиевые пластины-вставки, которые плавятся в горячей криолитовой ванне примерно при 1000°С, были испытаны в сравнении с традиционно бесщелевыми анодами Содерберга с целью установления различий в шуме от пузырьков, определяемом как размах краткосрочных колебаний (от пика к пику, РТР) напряжения на электролизной ванне. Результаты показывают, что электролизеры со щелевыми анодами Содерберга имеют больший потенциал для снижения шума от газовых пузырьков из-за более сильного шума, связанного с большим размером единственного анода Содерберга.

Как показано на фиг. 6, шум в электролизной ванне был обычно выше в электролизных ваннах Содерберга с традиционными анодами, чем в электролизной ванне с анодами, имеющими щели. Традиционные аноды Содерберга с сильным шумом показаны цифрой 100, а традиционные аноды Содерберга с низким шумом показаны цифрой 105, в то время как щелевые аноды Содерберга показаны цифрой 110. Шум в электролизной ванне был самым низким в случае анода Содерберга со щелями 110 (0,04-0,05 В). Отмечено 80%-ное снижение шума в электролизной ванне по сравнению с высокошумными традиционными ваннами 100 (-0,200 В). Отмечено 40%-ное снижение шума в электролизной ванне по сравнению с традиционными низкошумными ваннами 105. Это означает, что в среднем щели способны снижать шум в электролизной ванне на целых 0,100 В. Более низкий уровень шума в электролизной ванне также озна

- 6 012225 чает лучшую работу электролизной ванны и высокий выход по току.

Несмотря на то что выше были подробно описаны различные варианты реализации настоящего изобретения, очевидно, что специалистам в данной области техники придут на ум возможные модификации и адаптации данных вариантов реализации. Однако необходимо четко понимать, что такие модификации и адаптации находятся в рамках сущности и объема настоящего изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Самообжигающийся угольный анод типа Содерберга, расходуемый в расплавленном электролите и имеющий верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, причем этот угольный анод имеет множество вертикально расположенных пластин-вставок, выполненных из материала из группы, состоящей из алюминия, оксида алюминия, криолита и их смесей, плавящихся в расплавленном криолитовом электролите, причем упомянутые пластины-вставки способны плавиться, создавая полые щели в нижней части анода, позволяющие любым газовым пузырькам, образующимся при работе анода, проходить через такие щели к боковой стороне анода.

2. Угольный анод по п.1, в котором пластины-вставки являются алюминиевыми.

3. Угольный анод по любому из предыдущих пунктов, в котором пластины-вставки являются алюминиевыми с низким содержанием примесей, причем этот сплав содержит менее примерно 0,1 мас.% Ее; менее примерно 0,02 мас.% Νί; менее примерно 0,05 мас.% Си; менее примерно 0,02 мас.% Ζη и менее примерно 0,02 мас.% Со.

4. Угольный анод по любому из предыдущих пунктов, в котором пластины-вставки имеют высоту от примерно 6 до примерно 50 см и ширину от примерно 0,75 до примерно 1,5 см.

5. Угольный анод по любому из предыдущих пунктов, в котором самые верхние пластины-вставки расположены между проводящими металлическими штырями.

6. Угольный анод по любому из предыдущих пунктов, причем этот анод содержит каменноугольную смолу и нефтяной пек.

7. Алюминиевый электролизер, содержащий:

(1) по меньшей мере один расходуемый самообжигающийся угольный анод типа Содерберга, имеющий верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, с электропроводящими вертикальными металлическими штырями, расположенными внутри тела анода;
(2) расплавленный электролит, в котором упомянутый по меньшей мере один угольный анод расположен так, что нижние поверхности анода контактируют с электролитом для самообжига нижней части анода;
(3) средство для вертикального перемещения упомянутого по меньшей мере одного угольного анода в направлении вниз в расплавленный электролит по мере того, как упомянутый по меньшей мере один угольный анод расходуется электролитом; и отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один угольный анод включает в себя множество слоев вертикально расположенных пластин-вставок, выполненных из материала из группы, состоящей из алюминия, оксида алюминия, криолита и их смесей, причем такие вставки плавятся при перемещении анода вниз в расплавленный электролит с обеспечением полых щелей, сообщающихся с электролитом и способных отводить газовые пузырьки из нижней части упомянутого по меньшей мере одного угольного анода к его боковой стороне.

8. Электролизер по п.7, в котором упомянутый по меньшей мере один угольный анод содержит каменноугольную смолу и нефтяной пек.

9. Электролизер по любому из пп.7 и 8, в котором расплавленный электролит представляет собой расплавленную криолитовую ванну, а пластины-вставки являются алюминиевыми.

10. Электролизер по любому из пп.7-9, в котором расплавленный электролит представляет собой расплавленную криолитовую ванну, а пластины-вставки изготовлены из алюминиевого сплава с низким содержанием примесей, причем этот сплав содержит менее примерно 0,1 мас.% Ее; менее примерно 0,02 мас.% Νί; менее примерно 0,05 мас.% Си; менее примерно 0,02 мас.% Ζη и менее примерно 0,02 мас.% Со.

11. Электролизер по любому из пп.7-10, в котором расплавленный электролит имеет температуру от примерно 800 до примерно 1100°С.

12. Электролизер по любому из пп.7-10, в котором расплавленный электролит имеет температуру от примерно 900 до примерно 1000°С.

13. Электролизер по любому из пп.7-12, в котором пластины-вставки имеют высоту от примерно 6 до примерно 50 см и ширину от примерно 0,75 до примерно 1,5 см.

14. Электролизер по любому из пп.7-13, в котором самые верхние пластины-вставки расположены между проводящими металлическими штырями.

15. Электролизер по любому из пп.7-14, в котором пластины-вставки способствуют образованию таких щелей, что образующиеся газовые пузырьки не сливаются в большие агломераты пузырьков в нижней части анода.

- 7 012225

16. Способ изготовления анода типа Содерберга по п.1, включающий в себя добавление угольной массы в верхнюю часть кожуха, взаимосвязанного с анодом Содерберга; введение множества плавких пластин в угольную массу и опускание угольной массы по направлению к расплавленному электролиту.

17. Способ производства алюминия, включающий в себя контактирование расплавленного электролита с анодом типа Содерберга по п.1;

нагревание расплавленного электролита до температуры от примерно 900 до примерно 1000°С.

18. Способ по п.17, в котором образовавшиеся газы проходят через щель без закупоривания этой щели.