RU2702672C1

RU2702672C1 - Method of producing aluminum of high purity by electrolysis of molten salts

Info

Publication number: RU2702672C1
Application number: RU2018138179A
Authority: RU
Inventors: Ольга Николаевна Попова; Юрий Николаевич Попов; Андрей Александрович Поляков; Андрей Станиславович Ясинский; Петр Васильевич Поляков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Легкие металлы"
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2019-10-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to a method of producing aluminum of high purity (AHP) by electrolysis of molten salts with carbon-free anodes and a bipolar electrode-collector of impurities of BPE-C. Method is implemented in an electrolytic cell containing a reservoir separated by a vertical non-conductive baffle inert to the melt used by the baffle to an electrolysis section with a carbon-free anode placed in it and a refining section containing cathode current leads, an AHP which acts as a cathode and a heavy electrolyte. Anode and the cathode are located higher than the BPE-C, and the vertical projections of the anode and the cathode on the horizontal plane of the BPE-C do not intersect each other. Method comprises pouring light electrolyte and loading material containing aluminum oxide into electrolysis section and pouring heavy electrolyte into refining section and performing electrolysis with maintenance of chemical compositions and temperature of heavy, light electrolytes and BPE-C so that density increases in row: high-purity metal – heavy electrolyte – BPE-C, and light electrolyte density is lower than density of BPE-C.

EFFECT: higher purity of aluminum obtained with carbon-free anodes and BPE-C, reduced labor input, material consumption and prime cost of AHP production.

26 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способу производства алюминия высокой чистоты (АВЧ) электролизом расплавленных солей с безуглеродными анодами.The invention relates to ferrous metallurgy, and in particular to a method for the production of high purity aluminum (AFC) by electrolysis of molten salts with carbon-free anodes.

Известные способы получения алюминия с использованием безуглеродных малорасходуемых вертикальных или горизонтальных анодов имеют недостатки, препятствующие их промышленному внедрению, в частности, малый выход по току и высокое содержание примесей в катодном металле.Known methods for producing aluminum using carbon-free low-consuming vertical or horizontal anodes have disadvantages that impede their commercial implementation, in particular, low current efficiency and high content of impurities in the cathode metal.

Известен способ электролитического получения металлов при одновременном осаждении примесей (Патент РФ №2425177 С1, С25С 3/00, Опубл. 10.01.2011. Бюл. №1), согласно которому в электролите между анодом и катодом имеются катоднополяризованные коллекторы, потенциал которых находится между потенциалами восстановления металла и примесей. Недостатком способа является высокая сложность реализации технического решения, необходимость использования дополнительных источников тока.There is a method of electrolytic production of metals with the simultaneous deposition of impurities (RF Patent No. 2425177 C1, C25C 3/00, Publ. 10.01.2011. Bull. No. 1), according to which in the electrolyte between the anode and cathode there are cathodically polarized collectors, the potential of which is between the potentials reduction of metal and impurities. The disadvantage of this method is the high complexity of the implementation of the technical solution, the need to use additional current sources.

Известен способ электролитического производства алюминия с использованием инертных анодов (Патент РФ №2283900, С25С 3/06, Опубл. 20.09.2006. Бюл. №26), согласно которому над ячейкой, состоящей из керамического анода, электролита с глиноземом и катодом, совершается электрическая работа. Керамический анод при этом может содержать один или несколько из оксидов металлов и неметаллов: Fe, Ni, Zn, Со, Cr, Al, Ga, Ge, Hf, In, Ir, Mo, Mn, Nb, Os, Re, Rh, Ru, Se, Si, Sn, Ti, V, W, Zr, Li, Ca, Ce, Ir, а также один или несколько металлов, восстановленных из перечисленных выше оксидов. Недостатком способа является невозможность получения катодного металла с содержанием алюминия не менее 99.0 мас. % при низкой себестоимости (т.е. ниже цены на алюминий соответствующей марки).There is a method of electrolytic production of aluminum using inert anodes (RF Patent No. 2283900, C25C 3/06, Publish. 09/20/2006. Bull. No. 26), according to which over the cell, consisting of a ceramic anode, an electrolyte with alumina and a cathode, an electric Work. The ceramic anode may contain one or more of metal and non-metal oxides: Fe, Ni, Zn, Co, Cr, Al, Ga, Ge, Hf, In, Ir, Mo, Mn, Nb, Os, Re, Rh, Ru , Se, Si, Sn, Ti, V, W, Zr, Li, Ca, Ce, Ir, as well as one or more metals reduced from the above oxides. The disadvantage of this method is the inability to obtain a cathode metal with an aluminum content of at least 99.0 wt. % at low cost (i.e. lower than the price of aluminum of the corresponding brand).

Известно устройство рафинирования алюминия и его сплавов от электроположительных примесей (Патент РФ №2558316 С2, С25С 3/06, опубл. 27.07.2015. Бюл. №21), имеющее пористую мембрану, пропитанную электролитом, и расположенную между аноднополяризованным алюминием (или сплавом) и катоднополяризованным АВЧ, а также способ осуществления рафинирования в устройстве. Недостатком является потребность в двух переделах для производства АВЧ (первичного производства алюминия и рафинирования) и, как следствие, его высокая себестоимость.A device is known for refining aluminum and its alloys from electropositive impurities (RF Patent No. 2558316 C2, C25C 3/06, publ. 07/27/2015. Bull. No. 21), having a porous membrane impregnated with an electrolyte, and located between anodized polarized aluminum (or alloy) and cathodically polarized UHF, as well as a method for refining in a device. The disadvantage is the need for two redistributions for the production of AHF (primary aluminum production and refining) and, as a consequence, its high cost.

Известен способ производства металлов электролизом расплавленных солей в электролизере [Патент РФ №2471892, Способ производства металлов электролизом расплавленных солей, С25С 3/08, Опубл. 10.01.2013. Бюл. №1], содержащем катод, анод и коллекторы растворенных в электролите примесей, включающий совершение электрической работы над электролизером с получением металла на катоде и концентрированием примесей в коллекторе, при этом в качестве коллектора используют биполярный пористый электрод-коллектор (БПЭ-К), размещенный в пространстве между анодом и катодом и представляющий собой ячеистую, инертную по отношению к получаемому на катоде металлу и к электролиту матрицу, выполненную в виде открытой пористой структуры с образованными внутренними порами или капиллярами, или каналами, или полостями, в частности V-образной и/или W-образной, и/или S-образной формы, заполненных металлом, получаемым на катоде. Этот способ является прототипом предлагаемого изобретения.A known method of producing metals by electrolysis of molten salts in an electrolyzer [RF Patent No. 2471892, Method for the production of metals by electrolysis of molten salts, C25C 3/08, Publ. 01/10/2013. Bull. No. 1], containing the cathode, anode and collectors of impurities dissolved in the electrolyte, including performing electrical work on the electrolyzer to produce metal on the cathode and concentrating the impurities in the collector, using a bipolar porous collector electrode (BPE-K) located in the space between the anode and cathode and which is a cellular matrix inert with respect to the metal and electrolyte obtained at the cathode, made in the form of an open porous structure with formed internal pores or capillaries or channels, or cavities, in particular V-shaped and / or W-shaped and / or S-shaped, filled with a metal obtained at the cathode. This method is a prototype of the invention.

Описанный способ обладает рядом недостатков: при использовании БПЭ-К, представляющего собой ячеистую матрицу, максимально допустимая сила тока, протекающего через него, ограничена площадью поперечного сечения металла, присутствием неэлектропроводной ячеистой матрицы и ее объемной долей в структуре БПЭ-К; БПЭ-К обладает ограничениями по объему растворенных в металле примесей и характеризуется сложностью их удаления, обновления или замены БПЭ-К по достижению максимально допустимой, согласно требованиям технической спецификации, концентрации примесей; использование различных электролитов в прианодном и прикатодном пространствах неосуществимо из-за наличия свободной конвекции. В связи с изложенными недостатками использование прототипа приводит к снижению производительности, увеличению удельных операционных расходов, увеличению удельного расхода электроэнергии, трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.The described method has several disadvantages: when using BPE-K, which is a cellular matrix, the maximum allowable current flowing through it is limited by the cross-sectional area of the metal, the presence of a non-conductive cellular matrix and its volume fraction in the structure of BPE-K; BPE-K has limitations on the volume of impurities dissolved in the metal and is characterized by the difficulty of removing, updating or replacing BPE-K to achieve the maximum admissible concentration of impurities, according to the requirements of the technical specification; the use of various electrolytes in the anode and cathode spaces is not feasible due to the presence of free convection. In connection with the above disadvantages, the use of the prototype leads to a decrease in productivity, an increase in specific operating expenses, an increase in the specific consumption of electricity, labor input, material consumption and cost.

Задачами изобретения являются: увеличение максимального количества растворенных примесей и гетерогенных включений в БПЭ-К, снижение ограничений по максимальной силе тока, текущего через БПЭ-К, упрощение процедур удаления примесей, обновления и замены БПЭ-К, увеличение эффективности отделения металлов от примесей.The objectives of the invention are: increasing the maximum number of dissolved impurities and heterogeneous inclusions in BPE-K, reducing the restrictions on the maximum current flowing through BPE-K, simplifying the procedures for removing impurities, updating and replacing BPE-K, increasing the efficiency of separation of metals from impurities.

Технический результат заключается в увеличении чистоты алюминия, получаемого с безуглеродными анодами и БПЭ-К, в снижении трудоемкости, материалоемкости и себестоимости получения АВЧ.The technical result consists in increasing the purity of aluminum obtained with carbon-free anodes and BPE-K, in reducing the complexity, material consumption and cost of producing UHF.

Технический результат достигается тем, что над электролизером, имеющим катод, анод и БПЭ-К, совершают электрическую работу с получением АВЧ на катоде, выделением кислорода на аноде и концентрированием примесей в БПЭ-К. При этом БПЭ-К представляет собой слой жидкого металла или сплава на дне емкости. Емкость разделена вертикальной, непроводящей электрический ток, инертной по отношению к используемым расплавам перегородкой на секцию электролиза и секцию рафинирования. Поверхность БПЭ-К в секции электролиза при протекании тока имеет катодную поляризацию, а его поверхность в секции рафинирования - анодную. Секция электролиза содержит безуглеродный анод и легкий электролит, а секция рафинирования содержит катодные токоподводы, слой АВЧ (расплавленный рафинированный алюминий), выполняющий роль катода, и тяжелый электролит.В секцию электролиза загружают материал, содержащий оксид алюминия. Анод и катод располагаются выше БПЭ-К и вертикальные проекции анода и катода на горизонтальную плоскость БПЭ-К не пересекаются друг с другом.The technical result is achieved by the fact that over the electrolyzer having a cathode, anode and BPE-K, electrical work is performed to produce UHF at the cathode, oxygen evolution at the anode and concentration of impurities in BPE-K. In this case, BPE-K is a layer of liquid metal or alloy at the bottom of the tank. The capacity is divided by a vertical, non-conductive electric current, inert with respect to the melt used by the baffle, into an electrolysis section and a refining section. The surface of the WPT-K in the electrolysis section during the flow of current has a cathodic polarization, and its surface in the refining section has an anodic polarization. The electrolysis section contains a carbon-free anode and light electrolyte, and the refining section contains cathode current leads, an UHF layer (molten refined aluminum) acting as a cathode, and a heavy electrolyte. Material containing aluminum oxide is loaded into the electrolysis section. The anode and cathode are located above BPE-K and the vertical projections of the anode and cathode on the horizontal plane of BPE-K do not intersect with each other.

Предлагаемый способ получения АВЧ электролизом расплавов дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.The proposed method for producing UHF by electrolysis of melts is supplemented by private distinctive features aimed at solving the problem.

Химические составы и температуру тяжелого, легкого электролитов и БПЭ-К поддерживают таким образом, чтобы плотность легкого электролита составляла не более 2800 кг/м³, плотность АВЧ - от 2300 до 2370 кг/м³, плотность тяжелого электролита - от 2450 до 2800 кг/м³, а плотность БПЭ-К - не менее 2900 кг/м³.The chemical compositions and temperature of the heavy, light electrolytes and BPE-K are maintained in such a way that the density of the light electrolyte is no more than 2800 kg / m ³ , the density of the UHF is from 2300 to 2370 kg / m ³ , the density of the heavy electrolyte is from 2450 to 2800 kg / m ³ and the density of BPE-K is not less than 2900 kg / m ³ .

Внутренние стенки в используемой емкости покрывают инертным по отношению к алюминию материалом, при этом в них выполнены каналы для транспортировки БПЭ-К. Использование инертного материала позволяет достигнуть длительного срока службы, а наличие каналов позволяет осуществлять обновление БПЭ-К.The inner walls in the container used are coated with an inert material with respect to aluminum, while channels for transporting BPE-K are made in them. The use of inert material allows to achieve a long service life, and the presence of channels allows updating BPE-K.

Перегородка в используемой емкости выполнена из материала на основе одного или нескольких химических соединений из списка, включающего карбид кремния, нитрид алюминия, нитрид бора и титанат алюминия. Использование упомянутых соединений обеспечивает долговечность перегородки из-за их высокой коррозионной стойкости в расплавах алюминия и галогенидов.The partition in the tank used is made of a material based on one or more chemical compounds from the list, including silicon carbide, aluminum nitride, boron nitride and aluminum titanate. The use of these compounds ensures the longevity of the partition due to their high corrosion resistance in molten aluminum and halides.

БПЭ-К, помимо алюминия и концентрируемых примесей, содержит от 10 до 50 мас. % тяжелых металлов, например железа и/или меди. В указанном диапазоне БПЭ-К обладает достаточной плотностью, предотвращающей его всплывание в тяжелом электролите. При концентрации тяжелых металлов более 50% увеличивается частота замены или обновления БПЭ-К, что ведет к увеличению трудоемкости и, как следствие, себестоимости алюминия.BPE-K, in addition to aluminum and concentrated impurities, contains from 10 to 50 wt. % heavy metals, for example iron and / or copper. In the indicated range, BPE-K has a sufficient density that prevents it from floating in a heavy electrolyte. When the concentration of heavy metals is more than 50%, the frequency of replacement or renewal of BPE-K increases, which leads to an increase in the complexity and, as a consequence, the cost of aluminum.

Перегородку в используемой емкости дополнительно покрывают материалом, смачивающимся сплавом БПЭ-К, например, на основе диборида титана, при этом толщина покрытия составляет от 0.5 до 5 мм. Наличие такого материала исключает проникновение примесей из легкого электролита в тяжелый электролит и загрязнение металла. При толщине покрытия менее 0.5 мм покрытие не обладает достаточной механической прочностью. Нанесение покрытия толщиной более 5 мм не целесообразно из-за высокой стоимости материала и малой эффективности использования пространства внутри электролизера.The partition in the container used is additionally covered with a material wettable by the BPE-K alloy, for example, based on titanium diboride, and the coating thickness is from 0.5 to 5 mm. The presence of such a material excludes the penetration of impurities from a light electrolyte into a heavy electrolyte and metal contamination. With a coating thickness of less than 0.5 mm, the coating does not have sufficient mechanical strength. Coating with a thickness of more than 5 mm is not advisable due to the high cost of the material and the low efficiency of using the space inside the cell.

Форму используемой емкости создают таким образом, чтобы БПЭ-К обладал переменным сечением, что позволяет выравнивать плотность тока, как функцию координат. Поперечное сечение слоя увеличивают в сторону большего электросопротивления таким образом, чтобы наибольшая площадь сечения была на участке БПЭ-К под непроводящей перегородкой.The shape of the capacitance used is created in such a way that the WPT-K has a variable cross-section, which allows you to align the current density as a function of coordinates. The cross section of the layer is increased in the direction of greater electrical resistance so that the largest cross-sectional area is on the WPT-K section under the non-conductive partition.

В способе катодные токоподводы выполняют из углеродного материала. Углеродные материалы обладают малым удельным электросопротивлением и малой растворимостью и скоростью растворения в алюминии, что позволяет получать алюминий высокой чистоты. Токоподводы могут быть выполнены и из иного металла, например, диборида титана, если металл по чистоте будет удовлетворять соответствующим требованиям.In the method, the cathode current leads are made of carbon material. Carbon materials have low electrical resistivity and low solubility and dissolution rate in aluminum, which allows to obtain high-purity aluminum. The current leads can be made of another metal, for example, titanium diboride, if the metal purity will satisfy the relevant requirements.

Катодные токоподводы выполняют в виде труб из алюминия, снабженных, по меньшей мере, одним радиатором охлаждения. Алюминиевые проводники обладают малым электросопротивлением и не содержат примесей, способных существенно изменить химический состав получаемого алюминияCathode current leads are made in the form of pipes made of aluminum, equipped with at least one cooling radiator. Aluminum conductors have low electrical resistance and do not contain impurities that can significantly change the chemical composition of the resulting aluminum

Катодные токоподводы могут быть выполнены из алюминия, охлаждаемого с помощью полых тепловых насосов.Cathode current leads can be made of aluminum, cooled using hollow heat pumps.

Подвод тока к АВЧ может осуществляться с помощью электропроводной крышки, выполненной из материала на основе алюминия, герметизирующей секцию рафинирования.The current can be supplied to the UHF using an electrically conductive cover made of an aluminum-based material that seals the refining section.

Анод в способе представляет собой перфорированный лист с отверстиями в форме круга, эллипса, прямоугольника, многоугольника, причем, доля площади отверстий составляет от 5% до 95% от общей площади поверхности листа. При доле менее 5% удаление пузырей из межэлектродного пространства затруднено, что ведет к повышенному удельному расходу электроэнергии, связанному с падением напряжения в легком электролите. Создание листа с долей отверстий более 95% технически трудноосуществимо без существенного снижения площади поверхности анода или его механической прочности. Большая доля отверстий увеличивает омическое падение напряжения и электрохимическое анодное перенапряжение.The anode in the method is a perforated sheet with holes in the form of a circle, ellipse, rectangle, polygon, moreover, the proportion of the area of the holes is from 5% to 95% of the total surface area of the sheet. With a fraction of less than 5%, the removal of bubbles from the interelectrode space is difficult, which leads to an increased specific energy consumption associated with a voltage drop in the light electrolyte. Creating a sheet with a fraction of holes of more than 95% is technically difficult to do without a significant reduction in the surface area of the anode or its mechanical strength. A large proportion of holes increases the ohmic voltage drop and the electrochemical anode overvoltage.

В качестве материала анода используют сплавы на основе Cu-Al (алюминиевые бронзы), сплавы на основе Ni-Fe-Cu, или металлокерамические композиты (керметы), например, на основе NiFe₂O₄.As the anode material, alloys based on Cu-Al (aluminum bronzes), alloys based on Ni-Fe-Cu, or cermet composites (cermets), for example, based on NiFe ₂ O _{4, are used} .

По достижению максимально допустимой согласно требованиям технологии концентрации, примесей, проводят обновление или замену БПЭ-К путем его откачки через, по меньшей мере, один вакуумный сифон или через летку в донной части емкости и заливки нового БПЭ-К через вакуумный сифон.To achieve the maximum concentration of impurities, which is admissible according to the requirements of the technology, BPE-K is updated or replaced by pumping it out through at least one vacuum siphon or through a notch in the bottom of the tank and pouring a new BPE-K through a vacuum siphon.

В качестве легкого электролита используют расплавленные галогениды, например на основе KF-AlF₃, с криолитовым отношением (КО, мольным отношением KF/AlF₃) от 1.0 до 1.5, с добавками одной или нескольких солей из списка: NaF, LiF, CaF₂, MgF₂. Использование расплавов галогенидов обусловлено высокой растворимостью в них оксида алюминия; системы на основе KF-AlF₃ обладают низкой температурой ликвидуса, что позволяет вести электролиз при температурах ниже 850°С. В электролитах с КО<1 оксид алюминия обладает малой растворимостью и, как следствие, малой предельной плотностью тока выделения кислорода. При КО<1.5 температура ликвидуса составляет более 700°С и становится более чувствительной к изменению температуры, что осложняет управление электролизером. Использование добавок позволяют снизить температуру ликвидуса, удельное электросопротивление и давление насыщенного пара электролита.As a light electrolyte, molten halides, for example, based on KF-AlF ₃ , with a cryolite ratio (KO, molar ratio KF / AlF ₃ ) from 1.0 to 1.5, with the addition of one or more salts from the list: NaF, LiF, CaF ₂ , are used. MgF ₂ . The use of halide melts is due to the high solubility of aluminum oxide in them; systems based on KF-AlF ₃ have a low liquidus temperature, which allows electrolysis at temperatures below 850 ° C. In electrolytes with KO <1, alumina has a low solubility and, as a consequence, a low ultimate current density of oxygen evolution. When KO <1.5, the liquidus temperature is more than 700 ° C and becomes more sensitive to temperature changes, which complicates the control of the cell. The use of additives can reduce the liquidus temperature, electrical resistivity, and saturated electrolyte vapor pressure.

В качестве тяжелого электролита используют расплавленные галогениды, например BaCl₂-AlCl₃. Использование высокоплотных расплавов позволяет разделять АВЧ и БПЭ-К.As a heavy electrolyte, molten halides, for example, BaCl ₂ -AlCl _{3, are used} . The use of high-density melts allows the separation of UHF and BPE-K.

В секцию электролиза периодически или непрерывно загружают материал, содержащий оксид алюминия. Это позволяет поддерживать концентрацию иона кислорода в расплаве на требуемом уровне. При этом все примеси, обладающие более положительным, чем у алюминия, электродным потенциалом, как растворимые, так и малорастворимые в электролите, концентрируются в БПЭ-К.Material containing alumina is periodically or continuously charged into the electrolysis section. This allows you to maintain the concentration of oxygen ion in the melt at the desired level. Moreover, all impurities with a more positive electrode potential than that of aluminum, both soluble and sparingly soluble in the electrolyte, are concentrated in BPE-K.

Из секции рафинирования периодически или непрерывно удаляют АВЧ.AFC is periodically or continuously removed from the refining section.

Силу тока и толщину теплоизоляции электролизера подбирают таким образом, чтобы среднесуточная температура в секции электролиза составляла от 700 до 850°С с отклонением не более 10°С, среднесуточная температура в секции рафинирования составляла от 670 до 850°С с отклонением не более 10°С, при этом анодная плотность тока задается не более 1.0 А/см², катодная плотность тока восстановления алюминия на БПЭ-К и на АВЧ задается не более 0.8 А/см², а анодная плотность тока растворения алюминия БПЭ-К - не более 2.0 А/см². Диапазоны температур обусловлены температурами ликвидуса легкого и тяжелого электролитов, температурой плавления алюминия и стремлением к понижению температуры процесса и, как следствие, к увеличению выхода по энергии, снижению диссипации и повышению срока службы электролизера. Диапазоны плотностей тока обусловлены предельными плотностями тока восстановления и окисления алюминия в низкотемпературных расплавах галогенидов, а также предельной плотностью тока выделения кислорода.The current strength and the thickness of the insulation of the electrolyzer are selected so that the average daily temperature in the electrolysis section is from 700 to 850 ° C with a deviation of not more than 10 ° C, the average daily temperature in the refining section is from 670 to 850 ° C with a deviation of not more than 10 ° C while the anodic current density is set to not more than 1.0 A / cm ² , the cathodic current density of the reduction of aluminum on the BPE-K and AVCh is set to not more than 0.8 A / cm ² , and the anodic current density of the dissolution of BPE-K aluminum is not more than 2.0 A / cm ² . The temperature ranges are determined by the liquidus temperatures of light and heavy electrolytes, the melting temperature of aluminum and the tendency to lower the process temperature and, as a result, to increase the energy yield, reduce dissipation and increase the life of the electrolyzer. The ranges of current densities are determined by the limiting current densities of reduction and oxidation of aluminum in low-temperature halide melts, as well as by the limiting current density of oxygen evolution.

В качестве материала, содержащего оксид алюминия, могут использоваться промышленные металлургические глиноземы для получения алюминия, а также дезактивированные катализаторы нефтеперерабатывающей и/или автомобильной промышленности, содержащие металлы платиновой группы, рений или другие ценные компоненты. При электролизе металлы, имеющие более положительный электродный потенциал, чем алюминий, накапливаются в анодном отсеке и в БПЭ-К. После достижения предельно допустимого содержания примесей в БПЭ-К, последний подлежит частичной или полной замене с последующим извлечением из него ценных компонентов.As the material containing aluminum oxide, industrial metallurgical alumina can be used to produce aluminum, as well as deactivated catalysts of the oil refining and / or automobile industry containing platinum group metals, rhenium, or other valuable components. During electrolysis, metals having a more positive electrode potential than aluminum accumulate in the anode compartment and in the BPE-K. After reaching the maximum permissible content of impurities in BPE-K, the latter is subject to partial or complete replacement with subsequent extraction of valuable components from it.

Кратчайшее расстояние между анодом и БПЭ-К составляет 10-45 мм. При расстоянии менее 10 мм проявляется взаимодействие пузырей анодного газа с БПЭ-К, являющееся причиной окисления алюминия и снижения выхода по току. При расстоянии более 45 мм устройство работает с высоким падением напряжения в электролите и удельным расходом электроэнергии на производство АВЧ.The shortest distance between the anode and BPE-K is 10-45 mm. At a distance of less than 10 mm, the interaction of anode gas bubbles with BPE-K appears, which is the cause of aluminum oxidation and a decrease in current efficiency. With a distance of more than 45 mm, the device operates with a high voltage drop in the electrolyte and the specific energy consumption for the production of UHF.

Для защиты высокочистого алюминия от окисления кислородом атмосферного воздуха, добавляют покровный флюс, имеющий плотность меньше плотности АВЧ, например, на основе хлоридных (NaCl, KCl, MgCl₂) и/или фторидных (Na₃AlF₆) солей.To protect high-purity aluminum from oxidation by atmospheric oxygen with oxygen, a coating flux having a density lower than the density of AHF is added, for example, based on chloride (NaCl, KCl, MgCl ₂ ) and / or fluoride (Na ₃ AlF ₆ ) salts.

Состав анода подбирают таким образом, чтобы в результате его коррозии БПЭ-К приобретал заранее заданный состав и соответствовал спецификации товарного продукта. Это позволит осуществлять параллельное производство АВЧ и сплавов, являющихся продуктами с высокой добавленной стоимостью.The composition of the anode is selected in such a way that, as a result of its corrosion, BPE-K acquires a predetermined composition and meets the specification of a commercial product. This will allow parallel production of high frequency added alloys and alloys.

Толщина слоя тяжелого электролита составляет от 5 до 30 мм. Использование меньшей толщины повышает вероятность временного замыкания АВЧ на БПЭ-К. Слой толщиной более 30 мм обладает высоким сопротивлением протеканию электрического тока.The thickness of the heavy electrolyte layer is from 5 to 30 mm. The use of a smaller thickness increases the likelihood of temporary short circuit of the UHF on the WPT-K. A layer with a thickness of more than 30 mm has a high resistance to the flow of electric current.

Предлагаемый способ поясняется рисунком, где:The proposed method is illustrated in the figure, where:

На фиг. изображена схема электролизера для производства АВЧ электролизом расплавленных солей, состоящего из утепленной теплоизоляционным материалом 1 емкости 2, анода 3, легкого электролита секции электролиза 4, стального кожуха 5, системы подачи материала, содержащего оксид алюминия, и компонентов электролита 6, ошиновки, отводящей ток, 7, каналов 8 для транспортировки БПЭ-К 9, непроводящей электрический ток перегородки 10, катодного токоподвода 11, ошиновки, подводящей ток, 12, гарнисажа 13, крышки 14 с отверстием 15 для откачки АВЧ 16, выполняющего роль катода, тяжелого электролита секции рафинирования 17 и отверстия для газоотвода 18.In FIG. depicts a diagram of an electrolyzer for the production of molten salts by high frequency electrolysis by electrolysis, consisting of a tank 2 insulated with heat-insulating material 1, anode 3, a light electrolyte of an electrolysis section 4, a steel casing 5, a material supply system containing aluminum oxide, and electrolyte components 6, a busbar that conducts current, 7, channels 8 for transporting BPE-K 9, non-conducting electric current to the septum 10, cathode current supply 11, busbar, supplying current, 12, the skull 13, cover 14 with an opening 15 for pumping the AVCh 16, which acts as a ode heavy electrolyte refining section 17 and the vent holes 18.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

В емкость 2, утепленную теплоизоляционным материалом 1 производят заливку БПЭ-К 9 до уровня, перекрывающего зазор между дном емкости и непроводящей перегородкой 10. Заливку БПЭ-К осуществляют через каналы для транспортировки БПЭ-К 8. В секцию электролиза заливают легкий электролит 4, в секцию рафинирования заливают тяжелый электролит 17, после чего устанавливают анод 3 и катодные токоподводы 11, находящиеся под током. Последовательность заливки электролитов и коллектора обусловлена их различной плотностью. Создание каналов БПЭ-К разного сечения позволит регулировать анодную и катодную плотность тока как функцию координат. Для поддержания необходимого теплового режима над анодом формируют гарнисаж 13 и устанавливают укрытия, снабженные системой подачи материала, содержащего оксид алюминия, и компонентов электролита 6, а также отверстием 15 для откачки АВЧ 16. По мере износа анода и катодных токоподводов производят их замену.The BPE-K 9 is poured into the container 2 insulated with the heat-insulating material 1 to a level that covers the gap between the bottom of the tank and the non-conducting partition 10. The BPE-K is poured through the channels for transporting the BPE-K 8. Light electrolyte 4 is poured into the electrolysis section, The heavy electrolyte 17 is poured into the refining section, after which the anode 3 and the cathode current leads 11 are installed, which are under current. The sequence of filling the electrolytes and the collector is due to their different densities. Creating BPE-K channels of different cross-sections will allow you to adjust the anode and cathode current density as a function of coordinates. To maintain the necessary thermal regime above the anode, a skull 13 is formed and shelters are installed, equipped with a system for supplying material containing aluminum oxide and electrolyte components 6, as well as an opening 15 for pumping AHF 16. As the anode and cathode current leads wear out, they are replaced.

Подачу регентов осуществляют непрерывно или периодически при помощи системы подачи материала, содержащего оксид алюминия, и компонентов электролита, расположенного над крышкой или в крышке.The supply of regents is carried out continuously or periodically by means of a material supply system containing alumina and electrolyte components located above the lid or in the lid.

В процессе электролиза, примеси, поступающие вместе с материалом (глиноземом или солями) в легкий электролит наряду с продуктами коррозии анодного материала, подвергаются восстановлению на поверхности БПЭ-К, обращенной к аноду, с последующим растворением в БПЭ-К. На поверхности анода происходит разряд ионов кислорода с последующим образованием газовой фазы:In the process of electrolysis, impurities entering together with the material (alumina or salts) in a light electrolyte, along with the corrosion products of the anode material, undergo reduction on the WPT-K surface facing the anode, followed by dissolution in BPE-K. On the surface of the anode there is a discharge of oxygen ions with the subsequent formation of a gas phase:

На поверхности БПЭ-К, находящегося в секции рафинирования, происходит селективное анодное окисление алюминия, в то время как примеси концентрируются в БПЭ-К. По достижению максимально допустимой, согласно требованиям технической спецификации, концентрации примесей, производят их удаление.On the surface of the WPT-K located in the refining section, selective anodic oxidation of aluminum occurs, while impurities are concentrated in the WPT-K. Upon reaching the maximum permissible, according to the requirements of the technical specification, the concentration of impurities, they are removed.

В качестве катода электролизера выступает АВЧ 16, всплывающий к поверхности расплава, так как его плотность ниже плотности тяжелого электролита. По мере «наработки» АВЧ, производят его периодическую откачку через отверстие 15.The cathode of the electrolyzer is AVCh 16, which floats to the surface of the melt, since its density is lower than the density of a heavy electrolyte. As the "operating time" of the UHF is produced, it is periodically pumped out through the hole 15.

Claims

1. A method for producing high-purity aluminum by electrolysis of molten salts in an electrolyzer containing a container separated by a vertical non-conducting electric current, inert with respect to the melt used, by a baffle on an electrolysis section with an anode placed therein and a refining section with molten refined aluminum used as a cathode, and a BPE-K bipolar porous collector electrode used in the form of a layer of liquid aluminum or its alloy at the bottom of the tank, with vertical projections of the array or the perimeter of the anode and cathode on the horizontal plane of BPE-K, which do not intersect with each other, including pouring a light electrolyte and loading material containing aluminum oxide into the electrolysis section and pouring heavy electrolyte into the refining section, conducting electrolysis in the electrolyzer to obtain UHF at the cathode, oxygen at the anode and concentration of impurities in BPE-K, at which the chemical compositions and temperature of the heavy, light electrolytes and BPE-K are maintained so that the density increases in the series: UHF - heavier the first electrolyte - BPE-K and the electrolyte density of the light - less than the density of BPE K.

2. The method according to p. 1, characterized in that the chemical compositions and temperature of the heavy, light electrolytes and BPE-K are maintained so that the density of the light electrolyte is not more than 2800 kg / m ³ , the density of the UHF is from 2300 to 2370 kg / m ³ , the density of the heavy electrolyte is from 2450 to 2800 kg / m ³ and the density of BPE-K is not less than 2900 kg / m ³ .

3. The method according to p. 1, characterized in that they use a container whose inner walls are coated with an inert material with respect to aluminum and in which channels for transporting BPE-K are made.

4. The method according to p. 1, characterized in that they use a vertical partition made of a material based on one or more chemical compounds from the list, including silicon carbide, aluminum nitride, boron nitride and aluminum titanate.

5. The method according to p. 1, characterized in that the deposition of impurities is carried out on BPE-K, with an initial concentration of from 10 to 50 wt. % heavy metals, such as iron or copper.

6. The method according to p. 1, characterized in that they use a vertical partition, additionally coated with a material wettable by the BPE-K alloy, for example, based on titanium diboride, while the coating thickness is from 0.5 to 5 mm.

7. The method according to p. 1, characterized in that they use BPE-K with a variable cross-section, with a section of BPE-K with the largest cross-sectional area located under the non-conductive partition.

8. The method according to p. 1, characterized in that they use cathode current leads made of carbon material.

9. The method according to p. 1, characterized in that the use of cathode current leads made in the form of pipes made of aluminum, equipped with at least one cooling radiator.

10. The method according to p. 1, characterized in that they use cathode current leads made of cathode metal using hollow heat pumps.

11. The method according to p. 1, characterized in that for supplying current to the UHF using an electrically conductive cover made of aluminum-based material, the sealing section of the refining.

12. The method according to p. 1, characterized in that the anode is used in the form of a perforated sheet with holes in the form of a circle, ellipse, rectangle, polygon, and the proportion of the area of the holes is from 5% to 95% of the total surface area of the sheet.

13. The method according to p. 1, characterized in that they use an anode made of alloys based on aluminum bronzes, alloys based on Ni-F, or cermet composites, for example, based on NiFe ₂ O ₄ .

14. The method according to p. 1, characterized in that upon reaching the maximum admissible concentration of impurities according to the requirements of the technology, the BPE-K is updated or replaced by pumping it out and pouring a new BPE-K through at least one vacuum siphon.

15. The method according to p. 1, characterized in that upon reaching the maximum admissible concentration of impurities according to the requirements of the technology, BPE-K is updated or replaced by pumping it through a notch in the bottom of the tank and pouring a new BPE-K through at least one vacuum siphon .

16. The method according to p. 1, characterized in that molten halides, for example based on KF-AlF ₃ with a molar ratio of KF / AlF ₃ from 1 to 1.5, with the addition of one or more salts, for example, are used as a light electrolyte NaF, LiF, CaF ₂ , MgF ₂ .

17. The method according to p. 1, characterized in that the molten halides, for example, based on BaCl ₂ -AlCl _3, are used as a heavy electrolyte.

18. The method according to p. 1, characterized in that the loading of material containing aluminum oxide in the electrolysis section is carried out periodically or continuously.

19. The method according to p. 1, characterized in that from the refining section periodically or continuously remove the UHF.

20. The method according to p. 1, characterized in that the current strength and thickness of the insulation is set so that the average daily temperature in the electrolysis section is from 700 to 850 ° C with a deviation of not more than 10 ° C, the average daily temperature in the refining section is from 670 up to 850 ° C with a deviation of no more than 10 ° C, while the anodic current density is supported by no more than 1.0 A / cm ² , the cathodic current density of the reduction aluminum on the BPE-K and on the UHF is supported by no more than 0.8 A / cm ² and the anode current density of BPE-K aluminum is not more than 2.0 A / cm ² .

21. The method according to p. 1, characterized in that as a material containing alumina, metallurgical alumina is used.

22. The method according to p. 1, characterized in that as a material containing aluminum oxide, deactivated catalysts of the oil refining industry or automobiles containing platinum group metals, rhenium or other valuable components are used.

23. The method according to p. 1, characterized in that the deposition of impurities is carried out at a distance between the anode and WPT-K from 10 to 45 mm

24. The method according to p. 1, characterized in that a coating flux having a density lower than the density of the UHF is added to the molten UHF, for example, based on chloride salts in the form of NaCl, KCl, MgCl ₂ and / or fluoride salts in the form of Na ₃ AlF ₆ .

25. The method according to p. 1, characterized in that the use of anodes containing starting materials for the formation of a commodity alloy of a given composition in BPE-K.

26. The method according to p. 1, characterized in that the thickness of the layer of heavy electrolyte is from 5 to 30 mm