RU111540U1

RU111540U1 - ELECTROLYZER FOR ALUMINUM PRODUCTION

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� 1. Electrolyzer for aluminum production, comprising a cathode device containing a bath with a coal 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 carbon anodes connected to the anode busbar, located in the upper part of the bath and immersed in a molten electrolyte, characterized in that on the coal bottom under each of nodes are located cabinets with higher electrical conductivity than electrolyte, resistant to destruction in cryolite-alumina melts and liquid aluminum, with the upper surface of the cabinet protruding above the level of cathode aluminum and the cabinets can be moved and / or replaced if necessary. ! 2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the curbstones are made of carbon blocks, in particular from waste in the form of a battle of standard hearth blocks or burnt anodes or electrodes, and a load is encapsulated inside each block, for example, cast iron, which does not allow the curbstone to float in the melt . ! 3. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the cabinets are made of silicon carbide and coated or impregnated with an electrically conductive material. !four. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the curbstones are made of a mixture of titanium diboride and carbon on a high-temperature binder. ! 5. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the curbstones are coated with a substance that is wetted by aluminum, for example titanium diboride. ! 6. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the outer surfaces of the cabinet are pre-coated�

Description

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

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.Known electrolyzer [1] containing a cathode device and an anode device. The cathode device contains a bath with a coal bottom, laid out of coal blocks with mounted current leads (blooms), enclosed in a metal casing. Between the metal casing and the coal blocks are placed refractory and heat-insulating materials. The anode device comprises carbon anodes connected to the anode bus. Anodes are placed at the top of the bath and immersed in molten electrolyte.

Недостатком известной конструкции электролизера является то, что разработанные для нее технологии характеризуются весьма высоким удельным расходом энергии W, определяемым уравнениемA 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, where V is the voltage on the bath, V; η - current output,

к - электрохимический эквивалент [кг/кА*ч].k is the 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) зазора (МПЗ). 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) gap (MPZ). 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.

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

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.A known electrolyzer for aluminum production, adopted as a prototype ([2], Fig. 1), consisting of an anode current lead, a carbon anode, a carbon cathode with additional mushrooms located under the anode made of titanium diboride, insulation, electrolyte, liquid aluminum, blooms.

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.The disadvantage of the prototype is the lack of thermo-mechanical and chemical resistance of the “mushrooms” made of titanium diboride, especially at the metal-electrolyte boundaries; the difficulty of attaching the “mushrooms” to the bottom and the impossibility of such attachment in the existing electrolytic cells, the small contact area of the “mushroom” with the coal bottom, as well as the relatively high cost and the inability to quickly remove the “mushrooms” from the interelectrode gap if necessary, for example, lowering the anode onto cathode.

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.The objective of the utility model is to reduce the specific energy consumption due to a decrease in ohmic resistance and a voltage drop in the MPF, an increase in current efficiency due to an increase in hydrodynamic resistance for the movement of the melt at the aluminum-electrolyte interface, and, consequently, a decrease in the mixing of the melt and the “reverse” metal reactions anodic gases, as well as the convenience of the location of additional elements in the MPZ on the bottom and the possibility of their prompt removal from the interelectrode gap (MPZ) if necessary, for example, Scania anode to the cathode, and reducing the cost of construction.

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.The technical result of the utility model is to create an aluminum electrolyzer design, including a cathode device containing a bath with a carbon bottom, laid out of coal blocks with mounted current leads (blooms) enclosed in a metal casing, with refractory and heat-insulating materials placed between the metal casing and the coal blocks, an anode device containing carbon anodes connected to the anode bus, placed at the top of the bath and immersed in a molten electron olite, in which, according to the proposed solution, on a coal hearth under each anode there are curbstones with a higher electrical conductivity than an electrolyte that are resistant to destruction in cryolite-alumina melts and liquid aluminum, and the upper surface of the curb stands above the level of cathode aluminum and curb relocate and / or replace as necessary.

Полезную модель дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи:The utility model is complemented by private distinguishing features, also aimed at solving the task:

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.Curbstones can be made of carbon blocks, in particular waste (bout) of standard hearth blocks, calcined anodes and / or electrodes, and a load, for example, cast-iron, not allowing the “curbstone” to float in the melt, is encapsulated inside each block.

Тумбы могут быть выполнены из карбида кремния и покрыты или пропитаны электропроводным материалом.The cabinets can be made of silicon carbide and coated or impregnated with an electrically conductive material.

Тумбы могут быть выполнены из смеси диборида титана и углерода на высокотемпературной связке.Curbstones can be made of a mixture of titanium diboride and carbon on a high-temperature binder.

Тумбы могут быть покрыты веществом, обеспечивающим смачивание алюминием, например, диборидом титана.The cabinets can be coated with a substance that is wetted by aluminum, for example, titanium diboride.

Внешние поверхности тумбы предварительно обработаны/пропитаны защитными ингибиторными веществами.The outer surfaces of the cabinet are pre-treated / impregnated with protective inhibitory substances.

Под каждым анодом может быть установлено от 1 до 240 тумб.From 1 to 240 pedestals can be installed under each anode.

Отношение суммы площадей верхней поверхности тумб и площади анода изменяется от 10% до 120%.The ratio of the sum of the areas of the upper surface of the pedestals and the area of the anode varies from 10% to 120%.

Верхняя поверхность блоков выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой, или наклонной к горизонтуThe upper surface of the blocks is made flat, or convex, or concave, or inclined to the horizontal

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.The upper part of the cabinet is made porous, including a cellular matrix inert with respect to the released metal and electrolyte, made in the form of an open porous structure with the formation of internal pores (capillaries, channels, cavities) filled with metal of the composition that is released on the cathode. The purpose of the function of “hiding” the metal deep into the cavity (channel, pore, capillary) is to reduce the reaction of the reverse interaction of the metal with anode gases, the reaction rate of which depends on the delivery of the oxidizing agent (gases) moving in the interelectrode space: the metal in the capillary will be less oxidized .

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.The internal pores (capillaries, channels, cavities) are made wettable by the metal, while the pores (capillaries, channels, cavities) are made with such dimensions, in particular diameter and length, that the pores (capillaries, channels, cavities) are connected to the bulk of the cathode metal .

Объем, занимаемый металлом в порах (капиллярах, каналах, полостях) составляет от 5% до 99,0% от объема ТУМБЫ.The volume occupied by the metal in the pores (capillaries, channels, cavities) is from 5% to 99.0% of the volume of the TUMBA.

Сущность полезной модели поясняется эскизом (Фиг.2).The essence of the utility model is illustrated by a sketch (Figure 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.The cell contains a carbon anode with an anode current lead 1, a carbon bottom (cathode) 2. The lower surface of the carbon anode is immersed in the electrolyte 3. A lining is laid inside the cell 4. The cell is equipped with a traditional device for supplying raw materials (alumina, fluorine salts, etc.) and drain exhaust gas 5, a device for supplying current 6 to the cathode 2. On the coal hearth (cathode) 2 there are cabinets 7 with cast iron and / or steel and / or other weighting material, protected from aluminum and electrolyte. The upper surface of the cabinet 7 is in the electrolyte 3, and the lower surface is in the cathode metal (liquid aluminum) 8.

Монтаж алюминиевого электролизера осуществляется следующим образом.Installation of an aluminum electrolyzer is as follows.

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.For electrolyzers with burnt anodes, the installation of pedestals 7 is carried out directly under the burnt anodes 1 during the replacement of the corresponding anode block; disconnecting the bath from the power supply is not required. For electrolyzers with self-baking Soderberg anodes, the installation of pedestals is also carried out directly under the anode when the anode is first raised, while the bath can be disconnected from the power supply by current. In both cases, in the places where the blocks are installed, the coal bottom 2 is cleaned of accumulated sediment.

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 службыThe cabinets 7 can be coated with titanium diboride, which leads to improved wetting of the surface of the blocks with molten metal and the formation of an aluminum film on the upper base of the block, which flows to the bottom. The outer surfaces of the cabinet 7 are pretreated or impregnated with protective inhibitory substances, in order to reduce the rate of dissolution and / or oxidation in the electrolyte to increase the service life

При этом происходит улучшение следующих ТЭП электролиза алюминия: уменьшение удельного расхода энергии, увеличение выхода по току, снижение рабочего напряжения и увеличение производительности электролизера.At the same time, the following TECs of aluminum electrolysis are improved: a decrease in the specific energy consumption, an increase in current efficiency, a decrease in the operating voltage, and an increase in the productivity of the electrolyzer.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Х.Чанг, В.де Нора и Дж.А.Секхар «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд. Красноярск, гос.ун-т, Красноярск, 1998.1. H. Chang, V.de Nora and J.A. Sekhar “Materials used in the production of aluminum by the Eru-Hall method”. - Ed. Krasnoyarsk, gos.un-t, Krasnoyarsk, 1998.

2. J.R.Rayne: US Patent, 4.405.433, April 1981.2. J.R. Rayne: US Patent, 4.405.433, April 1981.

Claims

1. Electrolyzer for aluminum production, comprising a cathode device containing a bath with a coal 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 carbon anodes connected to the anode busbar, located in the upper part of the bath and immersed in a molten electrolyte, characterized in that on the coal bottom under each of nodes are located cabinets with higher electrical conductivity than electrolyte, resistant to destruction in cryolite-alumina melts and liquid aluminum, with the upper surface of the cabinet protruding above the level of cathode aluminum and the cabinets can be moved and / or replaced if necessary.

2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the curbstones are made of carbon blocks, in particular from waste in the form of a battle of standard hearth blocks or burnt anodes or electrodes, and a load is encapsulated inside each block, for example, cast iron, which does not allow the curbstone to float in the melt .

3. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the cabinets are made of silicon carbide and coated or impregnated with an electrically conductive material.

4. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the curbstones are made of a mixture of titanium diboride and carbon on a high-temperature binder.

5. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the curbstones are coated with a substance that is wetted by aluminum, for example titanium diboride.

6. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the outer surfaces of the cabinet are pre-coated or impregnated with protective inhibitory substances.

7. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that from 1 to 240 pedestals can be installed under each anode.

8. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the ratio of the sum of the areas of the upper surface of the pedestals and the area of the anode varies from 10% to 120%.

9. The cell according to claim 1, characterized in that the upper surface of the blocks is made flat, or convex, or concave, or inclined to the horizontal.

10. The cell according to claim 1, characterized in that the upper part of the cabinet is made porous, including a cellular matrix, inert with respect to the released metal and electrolyte, made in the form of an open porous structure with the formation of internal pores, capillaries, channels, cavities filled with metal the composition that stands out at the cathode.

11. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the internal pores, capillaries, channels, cavities are made wettable by the metal, while the pores, capillaries, channels, cavities are made with such dimensions, in particular diameter and length, that the pores, capillaries, channels , the cavity is connected to the bulk of the cathode metal.

12. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the volume occupied by the metal in the pores, capillaries, channels, cavities, is from 5% to 99.0% of the volume of the cabinet.