RU220188U1 - Газоэлектрическая электролизная ванна для получения алюминия из глинозема - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к цветной металлургии. Газоэлектрическая электролизная ванна для получения алюминия из глинозема содержит вертикально ориентированный металлический корпус цилиндрообразной формы из молибденосодержащего сплава с донной частью, крышку для закрепления на верхней части корпуса, выполненную с центральным отверстием для засыпки полости корпуса сырьем и двумя патрубками, первый из которых предназначен для вывода газового продукта из полости корпуса, а второй - для подачи азота для нейтрализации поступающего из корпуса кислорода и вывода смеси через первый патрубок. Дно донной части выполнено наклонным, сливной патрубок с шиберным затвором для слива первичного алюминия размещен в дне донной части. Узел нагрева корпуса выполнен в виде ряда газовых горелок, расположенных под наклонной стенкой донной части корпуса, полость в зоне горелок сообщена с охватывающей снаружи корпус кольцевой камерой, которая сообщена с другой кольцевой камерой, расположенной снаружи первой, с которой она связана общей стенкой, и которая сообщена с патрубком утилизации продуктов горения. Электроды расположены в корпусе по окружности вокруг зоны проекции центрального отверстия крышки и каждый из них состоит из трубчатой формы анода, в полости которого на изоляторе закреплен стержневой формы катод, при этом в стенке анода выполнены отверстия для приравнивания площади поверхности анода к площади поверхности катода. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизера для производства первичного алюминия с биполярными электродами и уменьшенным расходом электроэнергии.

Так известно устройство для электролиза суспензии оксидов алюминия в расплавах алюминия, которое включает в себя вертикально ориентированный корпус (ковш) цилиндрообразной формы с фланцами по верхнему и нижнему краям и на внутренней стенке которого организована футеровка, донную часть, выполненную стаканообразной формы с фланцем на открытом крае для соединения с нижней частью корпуса и полым дном, полость которого сообщена с каналом подвода газообразного азота, а на верхней донной стенке которой размещен керамический фильтр для пропуска через щели указанного азота, крышку для закрепления на верхней части корпуса, выполненную с центральным отверстием и двумя патрубками, один из которых предназначен для вывода газового продукта из полости корпуса, а другой - для засыпки полости корпуса оксида алюминия, нерасходуемый трубчатой формы анод, закрепленный на керамическим изоляторе, установлен в центре крышки, пропущен через центральное отверстие в крышке и расположен коаксиально по отношению к боковой стенке корпуса, при этом на боковой стенке корпуса смонтированы на разной высоте от поверхности керамического фильтра сливные патрубки, плоскость фланца донной части расположена на высоте, равной половине высоты керамического фильтра, а вдоль боковой стенки корпуса расположены нагревательные элементы, закрытые снаружи внешней футеровкой (RU 203083, С25С 3/06, опубл. 22.03.2021 г.).

Это решение принято в качестве прототипа.

Отказ от угольного анода и переход на не расходуемый (малорасходуемый) металлический или иной злектропроводный, устойчивый к криолит глиноземному расплаву материал для анода, решает проблемы экологии процесса, замещая выброс в атмосферу парниковых газов СО и СО₂ кислородом, выделяющимся на аноде в процессе разложения глинозема. При такой замене появляется возможность дополнительного загрязнения алюминия некоторыми восстановленными в ходе электролиза металлами материала анода при неудачном выборе его состава. Правильный выбор материала для инертного анода - это важнейшая тема современной металлургии.

Футеровка современных электролизных ванн, решая основную задачу изоляции расплава криолит глиноземного расплава с температурой 800-1000°С защищает конструкцию ванны от химической агрессивности расплава, при этом создавая целый ряд эксплуатационных, экологических и технологических проблем.

Футеровка - последовательно устанавливаемые внутри ковша (ванны) защитные слои. Элемент футеровки - отдельный элемент футеровки (арматурный слой, защитный слой, рабочий слой стены, шлаковый пояс и т.д.), требующий отслеживания во время установки, ремонта и при учете затрат. Футеровка живет недолго - даже огнеупоры «спекаются». Срок службы одной футеровки составляет около 500-600 плавок (от начала выпуска металла из конвертера в ковш и до полной ломки всех слоев футеровки после многократной эксплуатации). Рабочий слой футеровки, который непосредственно соприкасается с металлом, может продержаться порядка 90 плавок, после чего его необходимо заменить. Шлаковый пояс (верхние ряды рабочего слоя футеровки) ремонтируется в среднем через каждые 40-45 плавок.

Вследствие неравномерного объемного поступления тепла в ванне происходит не равномерное по объему разного рода настылей (нарост в виде бугра или кольца из тугоплавкой массы на поверхности огнеупорной кладки шахтных и трубчатых металлургических печей, образуется обычно из-за неблагоприятного взаимодействия раскаленной шихты с огнеупорной футеровкой) и других консистентных неоднородностей расплава. Более того, в силу физических причин ее ресурс ограничен свойством насыщаться продуктами расплава. Это приводит к необходимости ее периодической замены, порождая проблемы нанесения новой футеровки с сопутствующими простоями и затратами. Более того, происходит накопление отработанной футеровки, представляющей большую угрозу окружающей среде.

Для достижения гомогенного режима электролиза в объеме электролитической ванны важную роль играет ее форма. Форма современных электролитических ванн, как правило, прямоугольная, что вносит дополнительную переменную к уже имеющейся неравномерности самого технологического процесса, вызванного периодическими порциями добавок глинозема, процессами растворения его по объему ванны и неравномерного распределения джоулей тепла по объему ванны.

Появляются угловые эффекты и другие неудобства при достижении гомогенного распределении тепла в процессе разогрева расплава до температуры процесса.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в снижении энергопотребления и повышении экологической безопасности электролизера за счет применения газовой системы нагрева выполненного из молибденового материала ковша, позволяющей исключить футеровку из структуры удержания температуры нагрева ковша.

Указанный технический результат достигается тем, что в газоэлектрическая электролизной ванне для получения алюминия из глинозема, содержащей вертикально ориентированный металлический корпус с донной частью, крышку для закрепления на верхней части корпуса, выполненную с центральным отверстием для засыпки полости корпуса сырьем и двумя патрубками, первый из которых предназначен для вывода газового продукта из полости корпуса, сливной патрубок с шиберным затвором для слива первичного алюминия, а так же электроды и узел нагрева корпуса, дно донной части выполнено наклонным, а сливной патрубок размещен в дне донной части, второй патрубок в крышке предназначен для подачи азота для нейтрализации поступающего из корпуса кислорода и вывода смеси через первый патрубок, корпус цилиндрообразной формы выполнен из молибденосодержащего сплава, узел нагрева корпуса выполнен в виде ряда газовых горелок, расположенных под наклонной стенкой донной части корпуса, полость в зоне горелок сообщена с охватывающей снаружи корпус кольцевой камерой, которая сообщена с другой кольцевой камерой, расположенной снаружи первой, с которой она связана общей стенкой, и которая сообщена с патрубком утилизации продуктов горения, электроды расположены в корпусе по окружности вокруг зоны проекции центрального отверстия крышки и каждый из них состоит из трубчатой формы анода, в полости которого на изоляторе закреплен стержневой формы катод, при этом в стенке анода выполнены отверстия для приравнивания площади поверхности анода к площади поверхности катода.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 представлена схема электролизной установки для получения первичного алюминия из глинозема;

фиг. 2 - вид сверху на электроды по сечению А-А по фиг. 1;

фиг. 3 - схема конструкции электрода.

Согласно настоящей полезной модели, рассматривается новая конструкция электролизной установки, позволяющей обеспечить экологически чистый и безопасный способ получения первичного алюминия электролизом суспензии глинозема в расплаве алюминия, в котором используется так называемый распределенный катод - непосредственно сам алюминий в составе электролита -расплава алюминия.

Получение алюминия методом электролиза суспензии глинозема в расплаве алюминия основан на пропускании в электролите электрического тока между катодом и не расходуемым анодом. При этом процесс электролиза проводят при температуре расплава 700-750°С и постоянном токе между катодом и не расходуемым анодом. Суспензию глинозема создают подачей глинозема в расплав алюминия для поддержания соотношения Аl₂О₃/Al=2-40 мас.%.

Процесс происходит в совмещенной ванне, служащей одновременно и электротермической печью и ванной электролизера (фиг. 1). В рамках полезной модели называется, как устройство для электролиза суспензии оксидов металлов в расплавах металлов или электролизная установка.

В общем случае, заявленная полезная модель представляет конструкцию газоэлектрической электролизной ванны для получения алюминия из глинозема, которая включает в себя:

вертикально ориентированный металлический корпус 1 цилиндрообразной формы из молибденосодержащего сплава с донной частью (фиг. 1);

крышку 2 для закрепления на верхней части корпуса, выполненную с центральным отверстием 3 для засыпки полости корпуса сырьем и двумя патрубками 4 и 5, первый 4 из которых предназначен для вывода газового продукта из полости корпуса (оснащен всасывающими вентиляторами), второй патрубок 5 в крышке предназначен для подачи азота для нейтрализации поступающего из корпуса кислорода и вывода смеси через первый патрубок 4;

сливной патрубок 6 с шиберным затвором 7, размещенный в стенке 8 дна донной части для слива первичного алюминия,

стенка дна донной части выполнена наклонной для стекания алюминия к патрубку 6;

узел нагрева корпуса, выполненный в виде ряда газовых горелок 9, расположенных под наклонной стенкой донной части корпуса,

полость в зоне газовых горелок сообщена с охватывающей снаружи корпус кольцевой камерой 10, которая сообщена с другой кольцевой камерой 11, расположенной снаружи первой, с которой она связана общей стенкой 12, и которая сообщена с патрубком 13 утилизации продуктов горения;

электроды расположены в корпусе по окружности (фиг. 2) вокруг зоны проекции центрального отверстия 3 крышки и каждый из них состоит из трубчатой формы анода 14, в полости которого на изоляторе 15 закреплен стержневой формы катод 16, при этом в стенке анода выполнены отверстия 17 (фиг. 3) для приравнивания площади поверхности анода к площади поверхности катода.

Выполнение ванны составной из корпуса 1 и закрывающей полость корпуса крышки 2 позволяет обеспечить высокую ремонтопригодность ванной в случае необходимости профилактики самого корпуса. Крышка может быть модернизирована в части организации потоков подачи азота и вывода смеси и не подвергается высокотемпературным воздействиям в той мере, которой подвержен корпус. При снятии крышки становится возможным доступ к блоку электродов, которые можно подъемом вверх вынуть и заменить на новый блок.

Формирование в крышке патрубка 5 подачи азота позволяет ликвидировать взрывоопасность от поступающего вверх из зоны электролиза выделяющегося кислорода. Происходит его нейтрализация и откачка вентиляторами в окружающую среду. При работе вентиляторов в зоне крышки образуется низкое давление, обеспечивающее выкачивание азота и отвод перемешанного с ним кислорода из корпуса.

Отказ от внутренней футеровки как таковой и замена ее на металлический молибденовый корпус обеспечивает повышение чистоты и снимает все сложности эксплуатации футеровок, вызванные ресурсным контактом с расплавом в электролизной ванне. Молибден обладает крайне низким коэффициентом теплового расширения. Молибден является тугоплавким металлом с температурой плавления 2620°С и температурой кипения 4639°С. Кроме того, молибден, как металл, обладает повышенной теплопроводностью. Так, в диапазоне температур 900-1000°С теплопроводность этого металла изменяется от 105 до 100 Вт/(м⋅град) (в десять раз выше, чем у стали). Применение молибдена в качестве материала ванны электролизера позволяет исключить передачу от ванны черновых включений (при электролизе в футерованной ванне черновые частицы футеровки попадают в расплав. Так же происходит химическое взаимодействие химических элементов материалов ванны с расплавом, что отражается на чистоте получаемого первичного алюминия). Молибден или сплавы на его основе или сплавы, включающие его в состав, инертны к ингредиентам шихты (нейтральны к расплаву криолита Nа₃АIF₆ с 30% добавкой AIF₃), из которой получают расплав алюминийсодержащего материала, не взаимодействуют с этим расплавом химически. Молибден как инструментальный или конструкционный материал в составе сплавов обладает высокой жаропрочностью и высокой химической инертностью. Поэтому под понятием «молибден» в рамках данного описания понимается не чистое химическое вещество, а молибденосодержащий сплав или молибденосодержащий материал (хромомолибденовая сталь Х12М, конструкционная легированная сталь марки 18Х2Н4МА, сложнолегированная сталь мартенситного класса марки 15X11МФ и др. стали и сплавы, включающие молибден для обеспечения высокой жаростойкости).

В связи с этим разогрев молибденовой ванны любым источником энергии проходит во много раз быстрее, чем у стальных ванн с футеровкой. При этом разогрев имеет равномерный характер по всей поверхности корпуса.

Учитывая это свойство, стало возможным применить горелки 9 на природном газе, которые размещаются под дном корпуса. Такие горелки обеспечивают высокую степень нагрева за короткий промежуток времени и являются экономически дешевыми и поэтому рентабельными. Отсутствует необходимость разогрева боковой стенки корпуса, достаточно разогреть дно корпуса и тепло передастся по всей поверхности ванны шихте. При этом важным является то, что передача тепла в ванне происходит конвекционным путем, то есть тепловой поток поступает от горелок вверх. При такой схеме разогрева температура в шихте достигает оптимума 950°С за два часа.

При использовании электронагрева за счет размещения вокруг боковой поверхности ванны электропроводных теплопередающих элементов такой эффект быстрого разогрева получить не удается в связи с тем, что электронагреватели отдают тепло по всем направлениям: часть тепла передается боковой стенке корпуса, а остальное тепло передается наружной футеровке. При этом боковая стенка разогревается быстрее, чем дно, вызывая неравномерный разогрев шихты. Для ускорения разогрева приходится существенно повышать трафик подачи электропитания. Такой разогрев относится к малоэффективному и энергозатратному.

Продукты сгорания от работы горелок подлежат утилизации. В рамках настоящей полезной модели тепло газовых продуктов используется в качестве источника дополнительного разогрева боковой стенки молибденового корпуса. Нагретый газовоздушный поток направляется по полости первой камеры (охватывающей корпус) в направлении от дна кверху, где разворачивается и противопотоком перемещается по полости второй камеры до выхода из патрубка. Таким образом, происходит передача тепла стенке корпуса в первой камере и одновременно снижение температуры газовоздушной смеси во второй камере. А наружная футеровка выполняет функцию изолятора не корпуса, а камер.

Известно, что тепловой баланс современных промышленных электролизеров для получения алюминия путем электролитического разложения глинозема в расплавах солей представляется уравнением

где:

Qэп - приход тепла от электрической энергии, кДж;

Qaн - приход тепла от сгорания угольного анода, кДж;

Qразл - тепло, необходимое для разложения глинозема, кДж;

Qмет - тепло, уносимое вылитым металлом, кДж;

Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами, кДж;

Qп - тепло, уносимое в пространство элементами конструкции электролизера, кДж.

Анализ данного уравнения дает основание полагать, что большая часть его членов по модулю могут быть замещены теплом от сгорания природного газа и лишь Qразл требует электрической составляющей для осуществления собственно процесса электролиза.

Поэтому предпочтительным представляется создание в молибденовой ванне гомогенного криолит глиноземного расплава при заданной температуре, равномерно подогреваемой газовыми горелками. То есть, если исключить контакт расплава с футеровкой и оставить ей только функцию обеспечения перехода от рабочей температуры расплава к допустимой температуре внешних стенок электролизера (+50°С), то срок службы теплоизоляции будем сравним со сроком службы всего электролизера. Стоимость ковша (ванны), выполненного из молибдена, конечно, выше, чем стоимость стального с футеровкой при одинаковых рабочих температурах, но, если учесть стоимость времени на нанесение футеровочного материала, просушку и полировку, необходимость остановки производственного процесса и накопления экологически не приемлемых отходов, то сравнение меняет позицию.

Существующая технология отбора первичного алюминия с применением вакуум ковшей на наш взгляд устарела и может быть заменена на прямой выпуск металла из электролизной ванны через слив в донной части ванны, возможно сразу для очистки первичного алюминия. Разработанные и проверенные временем шиберные затворы нашедшие, применение в черной металлургии, вполне применимы для новых современных алюминиевых электролизеров.

Цилиндрическая форма электролизной ванны и электродов как анодных, так и катодных систем априори способствует большей равномерности протекания технологических процессов на всех этапах начиная с этапов нагрева, поддержания заданной температуры расплава, коррекции химического состава расплава и протекания электролитического процесса.

Предлагаемая конструкция газоэлектрической ванны для проведения электролиза предполагает применение биполярных электродов для непосредственного процесса электролиза криолит глиноземного расплава с целью разделения растворенного в криолите глинозема на расплавленный алюминий и газообразный кислород. Двуполярный электрод представляет собой центральную трубчатую или стержневую часть (катод) и коаксиально расположенный трубчатый анод с отверстиями в стенках для отвода газообразного кислорода и согласования площадей катода и анода.

В рамках настоящей полезной модели применяется система двуполярных (биполярных) электродов. Каждый двухполярный электрод состоит из трубчатой формы анода, в полости которого на изоляторе закреплен стержневой формы или трубчатой формы катод, который удерживается в аноде за счет керамического изолятора. По длине анод и катод выполнены одинаковыми, но по площади контакта - разными. Так как для процесса важным является равенство площадей контактирующих поверхностей, то для выполнения этого условия в стенке анода выполнены отверстия (площадью S₃) для приравнивания площади S₂ поверхности анода к площади S₁ поверхности катода. Это достигается увеличением количества отверстий в аноде: S₁- S₂ -nS₃, где n - количество отверстий в аноде.

В корпусе биполярные электроды расположены по окружности вокруг зоны проекции центрального отверстия крышки (через которое в полость корпуса подается сырье). Целесообразно все электроды организовать в модульный блок 18, который выполняется съемным для целей ремонтопригодности.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи, является не очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Предлагаемый вариант газоэлектрического электролизера представляет собой цилиндрическую газовую печь, подогреваемую в донной части группой регулируемых газовых горелок, обеспечивающих поддержание (автоматически) и сохранение рабочей температуры расплава в цилиндрическом рабочем тигле, являющемся электролизной ванной, расположенной в центре рабочей зоны печи коаксиально. В верхней части цилиндрической ванны расположены двуполярные электроды, к которым подведен постоянный ток для проведения электролитического процесса разложения глинозема. В нижней (донной части) расположен шиберный затвор для слива накопившегося алюминия. Корпус электролизной ванны выполнен из молибденосодержащего материала, стойкого к длительному воздействию криолит глиноземного расплава. Система управления газоэлектрическим электролизером обеспечивает путем регулирования подачи газа к управляемым форсункам горелок поддержание технологической температуры криолит глиноземного расплава в электролизной ванне. Регулируя ток, поступающий от источника постоянного тока на биполярные электроды, поддерживается заданный режим электролиза. С заданной технологической периодичностью от автомата подачи поступают порции глинозема для поддержания технологического процента глинозема в расплаве (2-5%). Предусмотрена периодическая подача компонентов криолита и фтористых солей для поддержания заданного химического состава расплава. Конструкция двуполярных электродов позволяет при необходимости их замены практически без остановки производственного процесса.

Технические решения, принятые при создании предлагаемой установки, делают ее ремонтопригодной в практически самые короткие сроки, так как отсутствуют работы, требующие расхода времени - сушка, полировка и т подобные процессы, кроме, разумеется, нагрева и охлаждения подвергающихся ремонту элементов конструкции. Исключаются достаточно длительные пусковые периоды, занимающие в современной практике производства неделю, а равно и простоя электролизера в производстве алюминия. В предлагаемом газоэлектрическом электролизере процесс запуска состоит в расплавлении сплава в тигле-ванной и установлении заданной температуры расплава, что по времени занимает несколько часов.

Газоэлектрический электролизер для производства первичного алюминия отличается тем, что для расплавления и поддержания в дальнейшем заданной температуры криолит глиноземного расплава используется энергия горения газа, что существенно уменьшает расход на процесс электрической энергии и позволяет оптимизировать процесс электролиза.

Жидкий криолит глиноземный расплав с технологическими добавками фтористых солей отделен от тепловой футеровки стенками из молибдена корпуса электролизной ванны, представляющей собой цилиндрический ковш-ванну (это способствует гомогенизации расплава). При этом корпус ванны подкалиберно установлен в кольцевую газовую печь

Применены двуполярные электроды с кооксиально расположенными анодными и катодными элементами, которые установлены на верхней поверхности ванны и погружены в криолит глиноземный расплав.

По мере накопления жидкого алюминия в донной части электролизера осуществляется прямой его слив через шиберный затвор.

Выпуск в атмосферу анодного кислорода и продуктов горения газа осуществляется в верхней части электролизера с подмешиванием в кислородную магистраль газообразного азота в атмосферном соотношении.

Предлагаемая конструкция газоэлектрического электролизера, не имеющего аналогов в современной технологической оснастке производства алюминия, позволяет решить следующие задачи:

1. Значительно уменьшить расход электроэнергии, примерно на 30-50% в процессе производства алюминия.

2. Полностью снять экологические проблемы производства, отменив поражение природы парниковыми газами и отходами футеровки, возвращая природе газообразный кислород.

3. Значительно улучшить качество первичного алюминия, заменив контакт полученного алюминия с футеровкой на контакт с металлическим молибденом.

4. Упростить производственный процесс на алюминиевых заводах отказом от химической футеровки, заменив применение вакуум-насосов и вакуум ковшей прямым сливом произведенного алюминия из электролизной ванны.

5. Несмотря на применение более дорогих материалов на элементах конструктива (молибден, жаропрочная сталь, химически нейтральные материалы двуполярных электродов), расчеты показывают высокую рентабельность, быструю окупаемость и значительное снижение себестоимости первичного алюминия, полученного в электролизерах предлагаемой конструкции.

Claims (1)

1. Газоэлектрическая электролизная ванна для получения алюминия из глинозема, содержащая вертикально ориентированный металлический корпус с донной частью, крышку для закрепления на верхней части корпуса, выполненную с центральным отверстием для засыпки полости корпуса сырьем и двумя патрубками, первый из которых предназначен для вывода газового продукта из полости корпуса, сливной патрубок с шиберным затвором для слива первичного алюминия, а также электроды и узел нагрева корпуса, отличающаяся тем, что дно донной части выполнено наклонным, а сливной патрубок размещен в дне донной части, второй патрубок в крышке предназначен для подачи азота для нейтрализации поступающего из корпуса кислорода и вывода газового продукта в виде смеси через первый патрубок, корпус цилиндрообразной формы выполнен из молибденосодержащего сплава, узел нагрева корпуса выполнен в виде ряда газовых горелок, расположенных в полости под наклонной стенкой донной части корпуса, которая сообщена с охватывающей снаружи корпус кольцевой камерой, которая сообщена с другой кольцевой камерой, расположенной снаружи первой, с которой она связана общей стенкой, и которая сообщена с патрубком утилизации продуктов горения, а электроды расположены в корпусе по окружности вокруг зоны проекции центрального отверстия крышки и каждый из них состоит из трубчатой формы анода, в полости которого на изоляторе закреплен стержневой формы катод, при этом в стенке анода выполнены отверстия для приравнивания площади поверхности анода к площади поверхности катода.

Images