RU2698162C2 - Перфорированный металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к перфорированному аноду для электролитического получения алюминия электролизом фторидных расплавов. Анод выполнен в виде перфорированной структуры, образованной продольными и поперечными анодными элементами, которые пересекаются друг с другом и ограничены боковыми сторонами пересекающихся анодных элементов, со сквозными отверстиями или перфорированной структуры с равномерно распределенными по аноду сквозными отверстиями, центры которых расположены по углам правильной треугольной сетки анодных элементов, а также содержит выступающие из электролита вертикальные или наклонные ребра, интегрированные с анодными элементами или токоподводом. Обеспечивается снижение падения напряжения в аноде и в пузырьковом слое под анодом, снижение анодного перенапряжения и расхода анода и увеличение выхода по току и надежности криолитоглиноземной корки, что приводит к увеличению срока службы анода и способствует формированию надежной и прочной криолитоглиноземной корки над поверхностью расплава, повышая эффективность процесса. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к аноду для электролитического получения алюминия электролизом фторидных расплавов.

В настоящее время алюминий получают в электролизных ваннах (электролизерах) электролитическим разложением оксида алюминия (Al₂O₃) или иначе глинозема, растворенного в расплаве фторидов при температуре около 950°С. Этот метод получения алюминия называется по имени изобретателей методом Эру-Холла.

Аноды для процесса электролиза изготавливают из углерода, вследствие чего аноды непрерывно расходуются в результате их окисления кислородом, выделяющимся при разложении глинозема. Вследствие применения углеродных анодов из электролизеров непрерывно выделяются оксиды и фториды углерода, а при использовании технологии самообжигающегося анода и канцерогенные полуароматические углеводороды (ПАУ), например, бензапирен.

Помимо отмеченных экологических проблем применение расходуемых углеродных анодов не позволяет улучшить экономические показатели процесса, т.к. в себестоимости производства алюминия значительную долю представляют расходы на изготовление анодов. Поэтому с момента изобретения метода Эру-Холла ведутся поиски материала нерасходуемых или инертных анодов, на которых в процессе электролиза выделяется кислород.

Были предложены разные классы инертных анодов: металлические, керамические и керметные. С точки зрения экономической эффективности и технической реализуемости наиболее предпочтительными являются аноды из металлических сплавов, т.к. они обладают меньшей стоимостью, высокой электропроводностью, пластичностью и одновременно механической прочностью, легко обрабатываются и свариваются.

Одним из принципиальных отличий инертных анодов по сравнению с углеродными является также то, что диаметр пузырьков кислорода, выделяющегося на инертных анодах, составляет десятые доли миллиметра, что существенно меньше диаметра пузырьков СО и СО₂, выделяющихся на углеродных анодах. Это обусловлено меньшим углом смачивания электролитом материала инертных анодов по сравнению с углеродом. Толщина пузырькового слоя и газонаполнение расплава под инертными анодами существенно больше из-за выделения большого количества маленьких пузырьков кислорода. Поэтому падение напряжения в пузырьковом слое под инертными анодами значимо выше, чем под углеродными анодами.

Из заявки US 2004/0163967 известно, что замена больших керметных анодов с горизонтальной рабочей поверхностью на несколько анодов меньшего размера с наклонной рабочей поверхностью приводит к существенному снижению напряжения электролизера в результате улучшения выхода пузырьков кислорода из под анода и снижения падения напряжения в пузырьковом слое под анодом.

Физические и механические свойства металлических анодов позволяют произвольным образом варьировать их размеры и форму для уменьшения массы анодов, оптимизации циркуляционных потоков электролита, улучшения условий выхода газа из под анода и улучшения равномерности растворения глинозема в электролите.

В изобретении по патенту RU 2374362 и заявках WO 00/40781, WO 00/40782, WO 03/006716 описаны аноды с рядом расположенных параллельных удлиненных элементов, отделенных друг от друга продольными межэлементными зазорами. Такая конструкция позволяет пузырькам выделяющегося кислорода быстрее выходить из под анода в зазоры между элементами анода. Анодные элементы могут иметь форму параллельных стержней, лопастей, прутков в копланарном расположении. Межэлементные зазоры составляют проточные отверстия для циркуляции электролита и выхода пузырьков кислорода. Аноды дополнительно оснащены средствами для ускорения растворения подаваемого глинозема в форме направляющих электролит элементов, образованных из параллельных, отделенных друг от друга наклонных дефлекторов, расположенных выше и примыкающих к перфорированной анодной конструкции.

Пузырьки кислорода образуются на нижней поверхности удлиненных анодных элементов и выходят в межэлементные зазоры перфорированной конструкции анода, а затем проходят между наклонными дефлекторами. В результате выхода газа создается циркуляция электролита вверх и вниз между наклонными дефлекторами и через межэлементные зазоры. Направленный вверх поток газа и электролита стимулирует растворение глинозема, подаваемого на открытую поверхность расплавленного электролита. Направленный вниз поток электролита, увлекает растворяющиеся частицы глинозема к нижней рабочей поверхности анодных элементов. Анодные элементы с дефлекторами полностью погружены в электролит и из электролита выступает только вертикальный токоподвод или вертикальные токораспределители.

В заявке WO 03/006716 улучшили конструкцию анодов, предложенных в патенте RU 2374362 и заявках WO 00/40781, WO 00/40782. Анодные элементы улучшенных анодов дополнительно имеют конусную верхнюю часть и интегрированную с ней электрохимически активную нижнюю часть. Верхняя конусная часть анодных элементов имеет такую форму, чтобы обеспечивать восходящий поток электролита вдоль одной поверхности верхней конусной части и нисходящий поток вдоль другой ее поверхности. Такая конструкция анодных элементов способствует выходу газа из под анода и циркуляции электролита через анод. Для увеличения срока службы анода предложено его изготавливать из сплава, включающего электропроводный инертный структурный металл, такой как никель и/или кобальт и активный диффундирующий металл, такой как железо, который диффундирует к электрохимически активной поверхности анода, где окисляется, обеспечивая стабильность электрохимически активной поверхности анода.

Известна электролитическая ячейка для производства алюминия электролизом расплава с использованием перфорированного вертикального анода, см. публикации международных заявок WO 03/074766 и WO 04/104273. В этих же заявках приведены примеры материала перфорированного анода. В вертикальном аноде перфорация служит для отвода газа из межполюсного зазора. Однако, при вертикальном расположении перфорированного анода газ нужно отводить вбок и даже если газ вбок не пойдет, то он легко выйдет из межполюсного зазора вверх. При горизонтальном расположении электродов газу вверх мешает подниматься электрод и деваться ему больше некуда из под анода. Поэтому проблема для горизонтальных электродов стоит острее. Кроме того, ребра вертикальным анодам не нужны, т.к. пластинчатые аноды, выступая из электролита, сами являются ребрами. Подробнее преимущества предложенного изобретения будут рассмотрены ниже с учетом выбранного прототипа.

По совокупности признаков изобретение по заявке WO 03/006716 выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Недостатком прототипа является то, что анод с разделенными друг от друга продольными анодными элементами имеет по сравнению с неперфорированным анодом меньшую площадь рабочей поверхности, на которой выделяется кислород, т.к. значительная часть поверхности анода замещена межэлементными зазорами. Это приводит к увеличению анодной плотности тока и, как следствие, к увеличению анодного перенапряжения и к увеличению расхода анода, что не позволит снизить напряжение на электролизере и увеличить срок службы анода.

Другим недостатком прототипа является то, что при использовании такой конструкции анодов возникает проблема устойчивости корки на поверхности электролита.

Как было сказано выше, в настоящее время при производстве алюминия электролизом в основном используются предварительно обожженные углеродные аноды, которые представляют собой массивные тела в виде параллелепипеда. Углеродные аноды устанавливаются в электролизер с небольшими зазорами между собой. Все установленные в электролизере аноды называются анодным массивом. Так как высота углеродов намного больше толщины слоя расплавленного электролита, то часть углеродных анодов всегда выступает из электролита. Поэтому не менее 60% площади шахты электролизера занята углеродными анодами, а электролит занимает площадь в узких зазорах между анодами, а также площадь по периферии, заключенной между анодным массивом и бортами шахты электролизера. При этом поверхность электролита всегда закрыта коркой, состоящей из закристаллизованного электролита и глинозема. Это уменьшает испарение электролита и потери энергии из электролизера. Корка удерживается над расплавом на анодах, выступающих из электролита.

При использовании анодов по прототипу основная часть анодов погружена в расплав электролита, из которого выступают только токоподводы, которые занимают небольшую часть площади шахты электролизера. Поэтому площадь криолитоглиноземной корки увеличится более чем в 3 раза по сравнению с ванной с углеродными анодами и корка не сможет удерживаться над электролитом на выступающих из него токоподводах, т.к. имеет большую протяженность и сравнительно невысокую прочность. В процессе работы электролизера на поверхности корки накапливается слой глинозема, который необходим для снижения потерь энергии через верх электролизера. В результате утепления корка может подплавляться и разрушаться. При испытаниях перфорированных анодов по прототипу на пилотном электролизере было установлено, что периодически происходит обрушение корки вниз на погруженную в электролит часть анодов. В результате нарушается циркуляция расплава через межэлементные зазоры, резко изменяется состав и температура электролита, т.е. происходит существенное нарушение в технологическом процессе получения алюминия.

В патентных источниках информации US 5368702, US 6402928, US 6656340, US 6723221, WO 02/070784, US 7749363, US 2006124471, RU 2582421 были предложены теплоизоляционные укрытия для предотвращения образования корки на поверхности электролита и снижения потерь теплоты через верх электролизера. Это могло бы решить проблему возможного обрушения корки при использовании перфорированных анодов, у которых из электролита выступают только токоподводы и/или токораспределители. Материал укрытия должен быть устойчивым к воздействию газообразных фторсодержащих соединений, кислорода и капель электролита при высоких температурах, а также к механическим нагрузкам. Укрытие должно обеспечивать низкую газопроницаемость, целостность, теплоизоляцию и прочность. На данный момент не найдено материалов, удовлетворяющих всем этим требованиям. Срок службы предложенных укрытий не превышает нескольких месяцев, т.к. в процессе работы электролизера материал укрытий постепенно пропитывается и взаимодействует с парами электролита. Это приводит к потере механической прочности и, в конечном счете, к разрушению укрытия. В результате требуется замена укрытия, что приводит к увеличению операционных расходов и себестоимости производства алюминия. Кроме того, компоненты материала укрытия постоянно попадают в электролит, восстанавливаются на катоде и загрязняют получаемый алюминий.

Поэтому наиболее эффективным для перфорированных анодов является разработка способа обеспечения надежной и прочной криолитоглиноземной корки над поверхностью расплава.

Общими признаками прототипа и анода по предложенному изобретению является то, что инертный металлический анод имеет по сути перфорированную конструкцию для ускорения выхода пузырьков из под анода и может быть снабжен средствами управления циркуляцией электролита, вызванной движением пузырьков кислорода вверх, с целью улучшения растворения глинозема у поверхности электролита и доставки обогащенного глиноземом электролита к нижней рабочей поверхности анода. В качестве средств управления циркуляцией электролита могут быть использованы дефлекторы и/или форма вертикального сечения анодных элементов.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции перфорированного металлического анода, используемого при получении алюминия электролизом фторидных расплавов, позволяющей снизить падение напряжения в аноде и в пузырьковом слое под анодом, а также снизить анодное перенапряжение и расход анода, а также увеличить выход по току и надежность криолитоглиноземной корки по сравнению с прототипом.

Технический результат заключается в решении поставленной задачи, в снижении напряжения на электролизере, в увеличении срока службы анода, в увеличении выхода по току и в обеспечении формирования надежной и прочной криолитоглиноземной корки над поверхностью расплава.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается, благодаря тому, что создана оптимальная конфигурация металлического инертного анода для по-лучения алюминия электролизом расплавов, имеющего множество электрохимически активных анодных элементов, распределители тока и токоподвод. Анод имеет не менее двух выступающих из электролита вертикальных или наклонных ребер, при этом анод предназначен для его горизонтального расположения.

Изобретение представлено следующими частными случаями его конструктивного исполнения. Анод имеет перфорированную структуру со сквозными отверстиями, предпочтительно равномерно распределенными по аноду, степень перфорации анода составляет порядка 15-35%, предпочтительно, порядка 20%.

Ребра интегрированы с токоподводом. Вертикальные или наклонные ребра служат для формирования надежной и прочной криолитоглиноземной корки над поверхностью расплава электролита, при этом предпочтительная высота ребер такова, что они выступают из электролита на порядка 5-20 см. Корка удерживается на ребрах и токоподводе, расположенных над поверхностью расплава.

Анод может содержать продольные и поперечные анодные элементы, которые пересекаются друг с другом и формируют перфорированную структуру анода со сквозными отверстиями, ограниченными боковыми сторонами пересекающихся анодных элементов. Выступающие из электролита ребра могут быть интегрированы с анодными элементами для увеличения прочности конструкции и улучшения токораспределения по аноду. Анодные элементы могут быть выполнены в виде прямых или изогнутых стержней, брусков или пластин с сечением в виде многоугольника со скругленными углами, овала или круга и расположены в одной плоскости.

Целесообразно, чтобы продольные и поперечные анодные элементы пересекались под прямым углом, однако, продольные и поперечные анодные элементы могут пересекаться под углом, отличным от прямого. Как правило, анод имеет не менее одного распределителя тока, соединенного с анодными элементами. Также анод имеет не менее одного токоподвода, соединенного с распределителями тока.

Целесообразно, чтобы расстояния между продольными и между поперечными анодными элементами были одинаковыми, что обеспечит равномерное распределение, однако, расстояния между продольными и между поперечными анодными элементами могут различаться. Возможно варьирование размеров в зависимости от технологических задач. Как правило, в местах пересечения анодные элементы имеют скругления. Аноды могут быть изготовлены методом литья в металлические или песчаные формы.

Как еще один вариант изобретения предложен металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава, имеющий множество электрохимически активных анодных элементов, распределители тока и токоподвод. При этом конструкция анода выполнена в виде перфорированной структуры, образованной продольными и поперечными анодными элементами, которые пересекаются друг с другом и ограничены боковыми сторонами пересекающихся анодных элементов, а также содержит выступающие из электролита вертикальные или наклонные ребра, интегрированные с анодными элементами или токоподводом, при этом анод предназначен для его горизонтального расположения. Степень перфорации анода составляет порядка 15-35%, площадь отверстий составляет порядка 10-100 см².

Второй вариант изобретения представлено следующими частными случаями его конструктивного исполнения. Степень перфорации анода предпочтительно составляет порядка 20%, площадь отверстия порядка 0,001 м², степень перфорации анода предпочтительно порядка 20%, площадь отверстий предпочтительно порядка 50 см².

Также заявлен электролизер для получения алюминия электролизом расплава, содержащий любую конфигурацию предложенного металлического инертного анода с горизонтальным расположением.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Пример выполнения перфорированного анода по предложенному изобретению; Фиг. 2 - Пример установки предложенного перфорированного анода в электролизере.

На Фиг. 1 показан металлический инертный анод, который согласно изобретению имеет оптимальную конструкцию, включающую продольные (1) и поперечные (2) анодные элементы, вертикальные ребра (3) и токоподвод (4). Пересекающиеся продольные (1) и поперечные (2) анодные элементы в виде брусков прямоугольного сечения формируют перфорированную структуру анода со сквозными отверстиями (5), ограниченными боковыми сторонами пересекающихся анодных элементов. Вертикальные ребра (3) интегрированы с токоподводом (4) и анодными элементами (1) и (2), что позволяет увеличить прочность конструкции анода и улучшить токораспределение по аноду.

На Фиг. 2 показан металлический инертный анод оптимальной конструкции, установленный в электролизере для получения алюминия. При работе электролизера на его углеродной подине (6) выделяется и накапливается алюминий (7), а на нижней поверхности анода выделяются пузырьки кислорода. Алюминий и кислород выделяются при пропускании через электролизер постоянного электрического тока в результате разложения глинозема (оксида алюминия), растворенного в расплаве электролита (8). Над поверхностью электролита (8) с небольшим зазором (9) расположена криолит - глиноземная корка, состоящая из закристаллизованных компонентов электролита и глинозема. В процессе работы электролизера пузырьки кислорода, выделяющиеся на нижней поверхности элементов (2) перфорированного анода, проходят через сквозные отверстия (5) и выходят в зазор (9) между электролитом и коркой (10). В случает отсутствия отверстий (5) пузырьки будут накапливаться под анодом, что приведет к росту напряжения на электролизере и окислению алюминия (7). Элементы (2) анода прямоугольного сечения полностью погружены в расплав электролита, а ребра (3) и токоподвод (4) выступают из него. Поэтому корка удерживается на ребрах (3) и токоподводе (4) над поверхностью расплава. При отсутствии ребер будет происходить обрушение корки вниз на погруженные в электролит элементы (2) анода. В результате будут заблокированы сквозные отверстия (5) для выхода пузырьков кислорода, нарушится циркуляция расплава, увеличится напряжение на электролизере и температура расплавленного электролита, т.е. произойдет существенное нарушение в технологическом процессе получения алюминия. Ребра (3) конструктивно интегрированы с элементами (2) и токоподводом (4) анода. Поэтому электрический ток проходит от токоподвода (4) по ребрам (3) и равномерно распределяется по элементам (2) анода, что позволяет снизить падение напряжения в аноде и перенапряжение выделения кислорода.

Сущность изобретения заключается в том, что для снижения напряжения на электролизере предлагается оптимизировать перфорацию анода таким образом, чтобы улучшить выход пузырьков кислорода из под анода и, тем самым, снизить падение напряжения в пузырьковом слое и одновременно добиться минимального увеличения анодной плотности тока, чтобы обеспечить низкое анодное перенапряжение, низкое падение напряжения в аноде и низкий расход анода. Чем больше степень перфорации анода, т.е. чем больше доля площади, занятой сквозными отверстиями, тем легче пузырьки газа выходят из под анода (из межэлектродного пространства), тем меньше толщина пузырькового слоя и тем меньше падение напряжения в нем. Кроме того, чем меньше толщина пузырькового слоя под анодом, тем меньше окисляется кислородом полученный металл, который накапливается на подине электролизера и является катодом. Следовательно, уменьшение толщины пузырькового слоя увеличивает выход по току и снижает удельный расход электроэнергии.

С другой стороны, чем больше перфорация анода, тем меньше площадь поверхности анода и, тем выше анодная плотность тока.

Известно, что увеличение анодной плотности тока приводит к увеличению анодного перенапряжения и расходу анода.

Кроме того, увеличение перфорации приводит к увеличению плотности тока в самом аноде и, следовательно, увеличивается падение напряжения в нем. Это также сопровождается ухудшением токораспределения по аноду, что приводит к изменению плотности тока на разных участках анода и, как следствие, к неравномерному расходу анода.

Таким образом, уменьшение напряжения на электролизере с ростом степени перфорации будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое оптимальное значение степени перфорации. Для достижения технического результата необходимо решить задачу оптимизации степени перфорации анода и размера отверстий.

Подобная задача решалась для анодов в электролизерах для получения хлора и каустической соды [Л.М. Якименко. Электродные материалы в прикладной электрохимии. М., «Химия», 1977 г., 264 с]. В случае применения малоизнашивающихся анодов в электролизерах с ртутным катодом и горизонтальным расположением электродов необходимо предусматривать отвод выделяющегося на аноде хлора из зоны прохождения тока. Для этой цели разработаны различные конструкции пластинчатых электродов, а также электроды из перфорированных листов. Вопрос об оптимальной перфорации горизонтального листового анода был изучен на модели электролизера с ртутным катодом, работающей на водном растворе NaOH. Определили зависимость напряжения от степени перфорации для анода с отверстиями диаметром 6-8 мм. Минимальные значения напряжения отмечены при степени перфорации 35-40% при всех плотностях тока. Кроме того, было установлено, что наклон зависимости напряжения электролизера от плотности тока также снижается при увеличении степени перфорации.

При одной и той же степени перфорации анода с уменьшением диаметра отверстий перфорации увеличивается общая поверхность анода и сокращается путь прохождения газовых пузырьков от места выделения до края отверстия. Кроме того, при меньшем диаметре отверстий электрическое поле между электродами имеет более равномерный характер, и эффективное сопротивление электролита в этом случае меньше, чем при большем диаметре отверстий. Однако снижение напряжения происходит при уменьшении диаметра отверстий лишь до некоторого предела. При малых диаметрах отверстий перфорации затруднение выхода газа объясняется тем, что газовые пузырьки удерживаются в отверстиях силами поверхностного натяжения, образуя пробки.

Для определения влияния диаметра отверстий перфорации на условия отвода газов исследовали аноды с одинаковой степенью перфорации (35%) и различными диаметрами отверстий перфорации аноды толщиной 3 мм, перфорированные отверстиями диаметром 2, 4, 6, 8 и 12 мм, и аноды толщиной 10 мм, перфорированные отверстиями диаметром 4, 6, 8 и 12 мм. Центры отверстий перфорации расположены по углам правильной треугольной сетки (<60°). При толщине электрода 3 мм самые малые значения напряжения получены при диаметре отверстий перфорации 4 и 6 мм, а при толщине анода 10 мм такие значения напряжения получены для электролизера с анодом, перфорированным отверстиями диаметром 6 мм; на электролизерах с анодами, перфорированными отверстиями 4 и 8 мм, напряжение выше на 20-40 мВ. Если электроды обладают примерно одинаковым напряжением, то для промышленного применения следует рекомендовать электроды, перфорированные отверстиями большего диаметра, поскольку их изготовление проще. Для промышленных электродов толщиной около 10 мм можно рекомендовать перфорацию отверстиями диаметром 6-8 мм; аноды толщиной 3-5 мм следует перфорировать отверстиями диаметром около 6 мм.

Была выведена формула расчета предельной величины диаметра отверстий, при котором еще может происходить задерживание газа в отверстиях:

где d - диаметр отверстий; σ - поверхностное натяжение раствора, b - толщина анодного листа; γ - плотность раствора.

Величина для растворов хлористого натрия с концентрацией 250-300 г/л, при температуре 60-100°С изменяется в пределах 6,0-6,7 мм². Предельные величины диаметра отверстий перфорации для листового анода толщиной 3 мм в этих условиях будут составлять 5,1-5,5 мм, а для анода толщиной 10 мм - 2,2-2,5 мм.

Видно, что для анодов толщиной 10 мм расчетные величины диаметра отверстий существенно отличаются от оптимальных величин, установленных на практике. Это обусловлено тем, что с уменьшением диаметра отверстий (при одинаковой степени перфорации) увеличивается гидродинамическое сопротивление движению газовых пузырьков (вместе с увлекаемой ими жидкостью) из-под анода через отверстия перфорации.

Неочевидность предложенного решения обусловлена тем, что определение оптимальной степени перфорации и размера отверстий в инертном аноде для получения алюминия электролизом расплавов на основе известных данных невозможно, т.к. свойства электролита (электропроводность, вязкость, плотность, поверхностное натяжение), размеры пузырьков и гидродинамика течения двухфазных потоков сильно отличаются.

Кроме того, необходимо учитывать, что размер отверстий в инертном аноде для производства алюминия значительно изменяется со временем, т.к. на поверхности металлических анодов формируется и растет защитный оксидный слой.

Для корректного расчета оптимальной степени и диаметра перфорации необходимо также рассчитывать газогидродинамические потоки циркуляции двухфазного потока газ-жидкость, что представляет собой сложную задачу разработки соответствующей математической модели и ее верификации по результатам измерений на реальных системах и физических моделях.

Поскольку в расплавах затруднительно проведение масштабных экспериментов по определению оптимальной степени перфорации и размера отверстий, то моделирование (математическое и физическое) являются наиболее рациональным путем решения задачи по снижению падения напряжения в аноде и в пузырьковом слое под анодом, а также снижению анодного перенапряжения.

Моделирование включало разработку двух и трехмерных двухфазных моделей пузырьковых течений для описания электрического поля и гидродинамических процессов в межэлектродном пространстве электролизера с учетом газовыделения на аноде: электрохимические процессы газообразования на поверхности инертного анода, двухфазные модели пузырькового течения, модели электрического поля в рабочей зоне электролизера с учетом газонаполненности электролита.

Таким образом, разработанная математическая модель основана на системе двух связанных эллиптических уравнений для электрического потенциала и доли газовой фракции и уравнений гидродинамики (уравнения для компонент скорости и уравнение неразрывности). Система уравнений является завязанной. В частности, электрическое поле зависит от газонаполнения, само газонаполнение зависит от движения газонаполненного электролита и т.д. Система уравнений является нелинейной.

Для реализации математической модели газовыделения на аноде алюминиевого электролизера разработан вычислительный алгоритм решения двух- и трехмерной стационарной задачи газонаполнения, который базируется на использовании конечно-элементной аппроксимации по пространству и итерационному решению нелинейной связанной системы уравнений методом Ньютона.

Расчеты проводили в разработанном прикладном программном обеспечении. Верификация модели проводили по данным измерений газонаполнения и размера пузырьков в экспериментальной электролитической ячейке. Оптимизацию перфорации инертного анода выполнили по результатам многопараметрических трехмерных расчетов на основе сеточных моделей с учетом реальной геометрии инертного анода, выполненных с помощью разработанного прикладного программного обеспечения. Для расчетов задавали размеры анода 1×1 м² и толщину 0,06 м. Анод равномерно в двух направлениях перфорируется отверстиями кругового сечения. Расчеты выполняли при расстоянии между анодами равном 0,1 м и в поперечном направлении и 0,2 м - в продольном. Расстояние между анодами и бортом электролизера взято равным 0,2 м. Межполюсное расстояние 0,06 м.

Критерием оптимальности являлась сила тока, проходящего через анод при фиксированном падении напряжения в долях относительно варианта анода без перфорации и без учета газонаполнения электролита (I₀).. Чем меньше этот параметр, тем хуже, т.к. при одинаковой силе тока напряжение на электролизере будет выше.

Варьируемыми параметрами были выбраны количество отверстий 36-100, степень перфорации 0-30% и диаметр отверстий круглой формы 0,04-0,10 м:

Из представленной таблицы видно, что если не учитывать газонаполнение электролита, то перфорация анода приводит к снижению силы тока, что обусловлено ростом падения напряжения в аноде из-за уменьшения его площади. Однако в условиях газовыделения ток на неперфорированном аноде снижается примерно в 4 раза из-за увеличения падения напряжения в газонаполненном слое электролита под анодом. В условиях газовыделения под анодом оптимальными с точки зрения увеличения силы тока через анод являются степень перфорации 20%, и диаметр отверстий около 0,04 м, что соответствует площади отверстия порядка 0,001 м², учитывая, что форма отверстия может отличаться от круглой.

Несмотря на то, что для упрощения оптимизацию проводили для круглых отверстий, форма отверстий может быть выполнена в виде многоугольника со скругленными углами, площадь и размеры которого примерно соответствуют площади и диаметру круглых отверстий.

Дополнительная особенность изобретения также заключается в том, что для формирования надежной и прочной криолитоглиноземной корки над поверхностью расплава электролита, в конструкции перфорированного металлического анода, основная часть которого погружена в электролит, предусмотрены вертикальные или наклонные ребра. Оптимальная высота этих ребер такова, что они выступают из электролита на высоту порядка 5-20 см. Таким образом, при использовании предлагаемых анодов из электролита выступают не только анодные токоподводы, но и ребра. Это позволяет сократить расстояние между выступающими из электролита элементами анодов. Тем самым, корка разбивается ребрами на небольшие по площади участки, что снижает риск ее разрушения. Кроме того, выступающие ребра способствуют упрочнению корки, т.к. отводят тепло и снижают температуру корки вблизи ребер. Следовательно, снижается риск подплавления и разрушения корки.

Ребра анода интегрированы с анодным токоподводом и/или перфорированной частью анода. Когда ребра интегрированы одновременно с анодным токоподводом и перфорированной частью анода увеличивается прочность конструкции анода и улучшается токораспределение по аноду, но увеличивается вес и материалоемкость анода. При увеличении количества ребер будет увеличиваться надежность корки, т.к. уменьшается расстояние между ребрами и, соответственно, уменьшается протяженность корки и улучшается ее охлаждение, а, следовательно, и ее прочность.

Ребра также могут служить для управления потоками циркуляции электролита, вызванной движением пузырьков кислорода вверх, с целью улучшения растворения глинозема у поверхности электролита и доставки обогащенного глиноземом электролита к нижней рабочей поверхности анода. Для этого можно изменять наклон и расположение ребер, обеспечивая направленное движение электролита в точки подачи глинозема.

Промышленные испытания перфорированных анодов с ребрами показали эффективность предложенных конструкционных решений для снижения напряжения на электролизере и обеспечения надежной корки над электролитом по сравнению с анодами по прототипу.

Claims (19)

1. Металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава, содержащий расположенные горизонтально с возможностью погружения в электролит электрохимически активные анодные элементы, токоподвод и не менее двух выступающих вверх ребра, выполненные с возможностью погружения их в электролит, отличающийся тем, что он выполнен в виде перфорированной структуры со сквозными отверстиями, равномерно распределенными по аноду, центры которых расположены по углам правильной треугольной сетки, а выступающие вверх ребра выполнены наклонными или вертикальными.

2. Анод по п. 1, отличающийся тем, что степень перфорации анода предпочтительно составляет 20%.

3. Анод по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые ребра интегрированы с токоподводом.

4. Анод по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые ребра обеспечивают формирование надежной и прочной криолитоглиноземной корки над поверхностью расплава электролита.

5. Анод по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые ребра выполнены с высотой, обеспечивающей выступание из электролита на 5-20 см.

6. Анод по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью удерживания корки на ребрах и токоподводе, расположенных над поверхностью расплава электролита.

7. Анод по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые ребра интегрированы с анодными элементами.

8. Анод по п. 1, отличающийся тем, что анодные элементы выполнены в виде прямых или изогнутых стержней, брусков или пластин с сечением в виде многоугольника со скругленными углами, овала или круга и расположены в одной плоскости.

9. Анод по п. 1, отличающийся тем, что продольные и поперечные анодные элементы пересекаются под прямым углом.

10. Анод по п. 1, отличающийся тем, что продольные и поперечные анодные элементы пересекаются под углом, отличным от прямого.

11. Анод по п. 1, отличающийся тем, что анод имеет не менее одного распределителя тока, соединенного с анодными элементами.

12. Анод по п. 1, отличающийся тем, что он имеет не менее одного токоподвода, соединенного с распределителями тока.

13. Анод по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с одинаковым расстоянием между продольными и между поперечными анодными элементами.

14. Анод по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с различным расстоянием между продольными и между поперечными анодными элементами.

15. Анод по п. 1, отличающийся тем, что в местах пересечения анодные элементы имеют скругления.

16. Анод по п. 1, отличающийся тем, что он изготовлен методом литья в металлические или песчаные формы.

17. Металлический инертный анод для получения алюминия электролизом расплава, содержащий расположенные горизонтально с возможностью погружения в электролит электрохимически активные анодные элементы токоподвод и не менее двух выступающих вверх ребра, выполненные с возможностью погружения их в электролит, отличающийся тем, что он выполнен в виде перфорированной структуры, образованной продольными и поперечными анодными элементами и ограниченной боковыми сторонами пересекающихся анодных элементов, при этом степень перфорации составляет 15-35%, площадь отверстий составляет 10-100 см², а выступающие вверх ребра выполнены наклонными или вертикальными и интегрированы с анодными элементами или токоподводом.

18. Анод по п. 17, отличающийся тем, что степень перфорации анода предпочтительно составляет порядка 20%, площадь отверстий - предпочтительно порядка 50 см².

19. Электролизер для получения алюминия электролизом расплава, содержащий металлический инертный анод, отличающийся тем, что металлический инертный анод выполнен по любому из пп. 1-18.

Images