RU2758697C1 - Method for electrolytic production of aluminium using solid electrodes - Google Patents
Method for electrolytic production of aluminium using solid electrodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758697C1 RU2758697C1 RU2020142533A RU2020142533A RU2758697C1 RU 2758697 C1 RU2758697 C1 RU 2758697C1 RU 2020142533 A RU2020142533 A RU 2020142533A RU 2020142533 A RU2020142533 A RU 2020142533A RU 2758697 C1 RU2758697 C1 RU 2758697C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- anode
- current density
- distance
- current
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к новому способу сборки твердых электродов для электролитических ячеек, используемых для электролиза в расплавленных солях, особенно для электролиза криолитоглиноземных расплавов.The present invention relates to a new method for assembling solid electrodes for electrolytic cells used for molten salt electrolysis, especially for the electrolysis of cryolite-alumina melts.
Как известно, попытки электролитического получения алюминия из галогенидных расплавов начинались с применения твердых электродов - металлических и углеродных катодов и анодов. Патенты Холла и Эру 1886÷1892 годов инициировали развитие способа электролитического получения алюминия, но никогда не применялись в серийной практике. Усилия компании Pittsburgh Reduction Company распространить идеи Холла на промышленные масштабы привели в 1888 году к построению опытных электролизеров с углеродными анодами и катодом, в качестве которого использовалась поверхность жидкого алюминия. Вся дальнейшая история развития алюминиевой промышленности связана с совершенствованием этого способа электролиза криолитоглиноземных расплавов.As is known, attempts to electrolytically obtain aluminum from halide melts began with the use of solid electrodes - metal and carbon cathodes and anodes. Hall and Eru's patents 1886-1892 initiated the development of a method for electrolytic production of aluminum, but were never used in serial practice. The efforts of the Pittsburgh Reduction Company to extend Hall's ideas to an industrial scale led in 1888 to the construction of experimental electrolysers with carbon anodes and a cathode, which used the surface of liquid aluminum. The entire further history of the development of the aluminum industry is associated with the improvement of this method of electrolysis of cryolite-alumina melts.
Вместе с тем продолжались попытки запустить технологию электролиза расплавленных солей на твердых электродах, предполагающей уменьшение энергопотребления, экологической нагрузки на окружающую среду и увеличение удельной производительности. В лабораторных и полупромышленных условиях исследовалась возможность применения различных типов кислород выделяющих анодов и смачиваемых алюминием катодов. Наряду с установленной принципиальной возможностью их использования, отмечались повышенный расход-растворение анодов, пассивация катодов и нарушение хода электролитического процесса. Предлагаемые рекомендации снижения температуры процесса, корректировки состава электролитов и электродов не позволяют перейти к внедрению в производство и развиваться на коммерческой основе.At the same time, attempts continued to launch the technology of molten salt electrolysis on solid electrodes, which implies a decrease in energy consumption, environmental impact and an increase in specific productivity. In laboratory and semi-industrial conditions, the possibility of using various types of oxygen-evolving anodes and aluminum-wetted cathodes was investigated. Along with the established fundamental possibility of their use, an increased consumption-dissolution of anodes, passivation of cathodes and disruption of the electrolytic process were noted. The proposed recommendations for lowering the process temperature, adjusting the composition of electrolytes and electrodes do not allow the transition to implementation in production and development on a commercial basis.
В патенте [1] уменьшение износа анода предлагается достигать использованием низкоплавкого криолитового расплава с добавками фторида лития LiF при температуре процесса 680-690°C. Кроме того электролиз ведут при пониженных анодных плотностях тока 0,1÷0,5 А/см2. Подобным способом предлагается вести процесс в патенте [2], в котором предлагается увеличивать площадь анода созданием большого количества отверстий или вертикально подвешенных электродов.In the patent [1], it is proposed to achieve a decrease in anode wear by using a low-melting cryolite melt with additions of lithium fluoride LiF at a process temperature of 680-690 ° C. In addition, electrolysis is carried out at low anode current densities of 0.1 ÷ 0.5 A / cm 2 . In a similar way, it is proposed to conduct the process in the patent [2], which proposes to increase the anode area by creating a large number of holes or vertically suspended electrodes.
В патентах [3, 4] описаны аноды в виде перфорированной структуры, с рядом расположенных параллельных удлиненных элементов, отделенных друг от друга продольными межэлементными зазорами, а также образованной продольными и поперечными анодными элементами, которые пересекаются друг с другом и ограничены боковыми сторонами пересекающихся анодных элементов. Отмечается, что такая конструкция обеспечивает снижение падения напряжения в аноде и в пузырьковом слое под анодом, снижение анодного перенапряжения и расхода анода, повышая эффективность процесса. In patents [3, 4], anodes are described in the form of a perforated structure, with a number of parallel elongated elements spaced apart from each other by longitudinal interelement gaps, and also formed by longitudinal and transverse anode elements that intersect with each other and are limited by the lateral sides of the intersecting anode elements ... It is noted that such a design provides a decrease in the voltage drop in the anode and in the bubble layer under the anode, a decrease in anode overvoltage and anode consumption, increasing the efficiency of the process.
Недостатком известных решений является большое количество продольных и поперечных элементов в конструкции анода, края которых являются концентраторами тока. Повышенная плотность тока на ребрах, боковых секторах прутков и стыках элементов является причиной ускорения процессов растворения и деградации анода в целом. Повышенный расход анодов такой конструкции и загрязнение алюминия его составляющими ограничивает их применение в электролизе криолитоглиноземных расплавов.The disadvantage of the known solutions is the large number of longitudinal and transverse elements in the anode structure, the edges of which are current concentrators. The increased current density on the ribs, side sectors of the rods and the joints of the elements is the reason for the acceleration of the dissolution and degradation of the anode as a whole. The increased consumption of anodes of this design and the contamination of aluminum by its constituents limits their use in the electrolysis of cryolite-alumina melts.
Известно анодно-катодное устройство электролизера для производства алюминия [5], в котором предлагается способ и схема взаимного расположения инертных анодов и смачиваемых катодов в электролите с возможностью регулировки переменного междуполюсного расстояния. Это достигается полусферической вогнутой формой катода и повторяющим его профиль анода, который изготавливается из гибких проводов (плетеных тросов) или в виде гибких листов с системой перемычек. Утверждается, что зазор между анодом и катодом можно поддерживать постоянным или делать переменным при локальном снижении электропроводности электролита или температуры, которые могут стать причиной локальной пассивации электродов в междуполюсном зазоре. Эти отклонения от нормального хода электролиза могут полностью или частично компенсироваться регулировкой гибких анодных элементов в пределах, допускаемых приемлемым выходом по току. Known anode-cathode device for the electrolyzer for the production of aluminum [5], which proposes a method and diagram of the mutual arrangement of inert anodes and wetted cathodes in the electrolyte with the ability to adjust the variable interpole distance. This is achieved by the hemispherical concave shape of the cathode and repeating its profile of the anode, which is made of flexible wires (braided cables) or in the form of flexible sheets with a bridging system. It is argued that the gap between the anode and cathode can be kept constant or made variable with a local decrease in the electrical conductivity of the electrolyte or temperature, which can cause local passivation of the electrodes in the pole gap. These deviations from the normal course of electrolysis can be fully or partially compensated by adjusting the flexible anode elements within the limits allowed by the acceptable current output.
По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога. Одним из недостатков известного технического решения является то, что изгиб анодных тросов или пластин теоретически позволяет изменять количество выделяемого джоулевого тепла и частично перераспределять плотность тока в локальных областях междуполюсного зазора. Но эти манипуляции с гибкой конструкцией анодного массива в условиях высоких температур и расплавленных сред чрезвычайно сложно, а скорее невозможно, осуществлять точно в нужных местах междуполюсного зазора. Вместе с тем, предлагаемая анод-катодная конструкция не предполагает воздействия и компенсации негативных краевых эффектов концентрации тока по периметру и на выступающих узлах электродов. Кроме того, несмотря на применение электродов на основе тугоплавких металлов, анодные конструкции в виде тросов и листов будут подвержены значительной коррозионной деструкции.In technical essence, the presence of similar features, this solution is chosen as the closest analogue. One of the disadvantages of the known technical solution is that the bending of the anode cables or plates theoretically allows you to change the amount of released Joule heat and partially redistribute the current density in local areas of the pole gap. But these manipulations with the flexible structure of the anode array under conditions of high temperatures and molten media are extremely difficult, but rather impossible, to carry out exactly in the right places of the pole gap. At the same time, the proposed anode-cathode design does not imply the impact and compensation of negative edge effects of current concentration along the perimeter and on the protruding nodes of the electrodes. In addition, despite the use of electrodes based on refractory metals, anode structures in the form of cables and sheets will be subject to significant corrosion destruction.
Задачей предлагаемого изобретения является создание технических и технологических условий для осуществления непрерывного и стабильного процесса электролиза криолитоглиноземных расплавов с горизонтальным или вертикальным расположением твердых электродов в электролизной ячейке.The objective of the present invention is to create technical and technological conditions for the implementation of a continuous and stable electrolysis process of cryolite-alumina melts with a horizontal or vertical arrangement of solid electrodes in an electrolysis cell.
Техническими результатами являются создание равномерного распределения плотности тока по площади электродов, исключение пассивации катодов и снижение расхода анодов, производство алюминия в соответствии со стандартами качества. The technical results are the creation of a uniform distribution of the current density over the area of the electrodes, the elimination of cathode passivation and a decrease in the consumption of anodes, the production of aluminum in accordance with quality standards.
Решение этой задачи и поставленные технические результаты достигаются тем, что в способе электролитического получения алюминия с применением твердых электродов для равномерного распределения плотности тока по площади электродов устанавливается переменное междуполюсное расстояние между противолежащими поверхностями анодов и катодов. При соотношении плотности тока катодной ( j кат ) к анодной ( j анод ) в пределах 1÷5,5 межэлектродное расстояние между электродами при параллельном расположении поперечных или продольных осей может рассчитываться по формулеThe solution to this problem and the stated technical results are achieved by the fact that in the method of electrolytic production of aluminum using solid electrodes for a uniform distribution of the current density over the area of the electrodes, a variable pole-to-pole distance is set between the opposite surfaces of the anodes and cathodes. With the ratio of the current density of the cathode ( j cat ) to the anode ( j anode ) within 1 ÷ 5.5, the interelectrode distance between the electrodes with a parallel arrangement of the transverse or longitudinal axes can be calculated by the formula
где l x – междуполюсное расстояние, см;where l x is the pole-to-pole distance, cm;
U эл-т – омические потери напряжение в слое электролита между электродами, В; U e-t - ohmic losses voltage in the electrolyte layer between the electrodes, V;
ρ эл – удельное электросопротивление электролита, Ом·см; ρ e-mail - specific electrical resistance of the electrolyte, Ohm · cm;
j – геометрическая плотность тока на поверхности электрода, А/см2; j - geometric current density on the electrode surface, A / cm2;
L – половина ширины и/или длины электрода, см; L - half of the width and / or length of the electrode, cm;
x – текущая точка поверхности в поперечном сечении электрода (–L ≤ x ≤ L), см; x Is the current point of the surface in the cross section of the electrode (-L ≤ x ≤ L), cm;
K j – коэффициент, учитывающий соотношение j кат / j анод ; K j - coefficient taking into account the ratio j cat / j anode ;
j кат – катодная плотность тока, А/см2; j cat - cathode current density, A / cm2;
j анод – анодная плотность тока, А/см2. j anode - anode current density, A / cm2...
Коэффициент K j изменяется в пределах 1,3÷2,5 прямо пропорционально соотношению катодной и анодной плотностей тока.Coefficient K j varies in the range of 1.3 ÷ 2.5 in direct proportion to the ratio of the cathodic and anodic current densities.
Наиболее оптимальной формой рабочей поверхности электродов, обеспечивающей переменное междуполюсное расстояние (МПР), является эллиптическая. Эта форма может подбираться длительным эмпирическим способом или быстрым расчетным. The most optimal shape of the working surface of the electrodes, providing a variable interpole distance (MPD), is elliptical. This form can be selected using a lengthy empirical method or a quick calculation.
Расчеты по уравнению (1) дают форму кривой, которая представляет собой полуэллипс по выбранному направлению. Одним из важных параметров электродов эллиптической формы является отношение длин малой (М) и большой (L) полуосей, которое называется коэффициентом сжатия эллипса или эллиптичностью:Calculations using equation (1) give a curve shape that is a semi-ellipse in the selected direction. One of the important parameters of elliptical electrodes is the ratio of the lengths of the minor ( M ) and major ( L ) semiaxes, which is called the compression ratio of the ellipse or ellipticity:
Этот параметр характеризует форму и материалоемкость эллипса-электрода.This parameter characterizes the shape and material consumption of the ellipse-electrode.
Сравнение предлагаемого технического решения с ближайшим аналогом показывает следующее. Оба способа характеризуются общими признаками.Comparison of the proposed technical solution with the closest analogue shows the following. Both methods are characterized by common features.
• Катоды и аноды выполнены полусферической формы.• Cathodes and anodes are hemispherical.
• Конструкция электродов и сопряжение их через междуполюсное расстояние предназначены для выравнивания плотности тока по площади анода и катода.• The design of the electrodes and their mating through the pole-to-pole distance are designed to equalize the current density over the area of the anode and cathode.
Предлагаемое решение характеризуется также признаками, отличающимися от признаков ближайшего аналога.The proposed solution is also characterized by features that differ from those of the closest analogue.
• Электроды - аноды и катоды - выполнены в виде компактных и стабильных изделий эллиптической формы без каких-либо перфорации или отверстий.• Electrodes - anodes and cathodes - are made in the form of compact and stable elliptical products without any perforations or holes.
• Сопряжения электродов через междуполюсное расстояние осуществляется в виде встречных полуэллипсов при вертикальном расположении или встречного полуэллипса относительно плоской поверхности при горизонтальном расположении электродов.• The conjugation of the electrodes through the pole-to-pole distance is carried out in the form of opposite semi-ellipses with a vertical arrangement or an opposite semi-ellipse relative to a flat surface with a horizontal arrangement of the electrodes.
• Основное назначение переменного междуполюсного расстояния состоит в равномерном распределении тока по площади электродов, уменьшении или исключении краевого эффекта концентрации тока на периферийных зонах электродов или отдельных его узлах.• The main purpose of the variable pole-to-pole distance is to evenly distribute the current over the area of the electrodes, to reduce or eliminate the edge effect of the current concentration on the peripheral zones of the electrodes or its individual nodes.
Наличие в предлагаемом техническом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих ближайший аналог, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности изобретения «новизна».The presence in the proposed technical solution of features that are different from the features characterizing the closest analogue, allows us to conclude that the proposed solution meets the condition of patentability of the invention "novelty".
В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся совокупностью признаков аналогичной с совокупностью признаков предлагаемого технического решения и дающих при использовании аналогичные результаты, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».In the process of search and comparative analysis, no technical solutions were identified, characterized by a set of features similar to the set of features of the proposed technical solution and giving similar results when used, which allows us to conclude that the proposed solution meets the patentability condition "inventive step".
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.The technical essence of the proposed solution is as follows.
С применением твердых электродов при электролизе криолитоглиноземных расплавов возникают осложняющие процесс проблемы, связанные с неравномерным распределением плотности тока и потенциала по площади электродов и выраженным краевым эффектом - концентрацией тока на краях, ребрах, выступах и стыках конструктивных элементов катодов и анодов. Это связано с увеличивающимся поперечным сечением электролита между анодом и катодом в направлении краевых поверхностей и, соответственно, уменьшающимся сопротивлением на расстоянии междуполюсного зазора. Повышенная плотность тока в локальных краевых областях, на межфазной границе с расплавом, приводит к повышенному перенапряжению и формирует критическое распределение потенциалов на поверхности периферийных концентраторов тока. На катоде локальные области могут достигать значений потенциалов разряда электроотрицательных примесей или составляющих компонентов электролита With the use of solid electrodes in the electrolysis of cryolite-alumina melts, complicating problems arise associated with the uneven distribution of current density and potential over the area of the electrodes and a pronounced edge effect - the concentration of current at the edges, ribs, protrusions and joints of structural elements of cathodes and anodes. This is due to the increasing cross section of the electrolyte between the anode and the cathode in the direction of the edge surfaces and, accordingly, the decreasing resistance at the distance of the pole gap. An increased current density in local edge regions, at the interface with the melt, leads to increased overvoltage and forms a critical potential distribution on the surface of peripheral current concentrators. At the cathode, local regions can reach the values of the discharge potentials of electronegative impurities or constituent components of the electrolyte
и, соответственно, на аноде достигать уровня потенциалов электрохимического растворения металлов и их оксидов:and, accordingly, at the anode to reach the level of potentials of electrochemical dissolution of metals and their oxides:
Эти процессы являются причиной пассивации катода, катастрофической деградации анода и чрезмерного повышения примесей металлов в алюминии.These processes are the reason for the passivation of the cathode, catastrophic degradation of the anode, and an excessive increase in metal impurities in aluminum.
Основным условием снижения краевого эффекта концентрации тока является уменьшение числа деталей, элементов и узлов электрода, имеющих острые или закругленные кромки и стыки. Следует исключить любые выступающие детали и перфорацию в пределах площади электродов. Тем не менее по площади сплошных электродов ток распределяется таким образом, что плотность тока растет от центра к периметру с концентрацией на кромках катода и анода. Компенсировать этот эффект и существенно снизить концентрацию тока по периферии позволяет аналогичный и адекватный рост сопротивления в междуполюсном зазоре и таким образом, чтобы плотность тока не изменялась по ширине и в целом по площади электродов. Этим условиям удовлетворяет эллиптическая форма электродов с адекватным увеличением междуполюсного расстояния от центра к периферии. Определение формы электродов и соответствующего переменного МПР может осуществляться продолжительным эмпирическим способом или быстрым расчетным. Расчет производится на основании закона Ома и зависимости плотности тока от безразмерной координаты x/L . В соответствии с уравнением (1) межэлектродное расстояние l x в поперечном или продольном направлении электрода в точках x будет изменяться так, чтобы заданная геометрическая плотность тока на поверхности электрода j не изменялась в интервале -L ≤ x ≤ L.The main condition for reducing the edge effect of current concentration is to reduce the number of parts, elements and nodes of the electrode that have sharp or rounded edges and joints. Any protruding parts and perforations within the electrode area should be avoided. Nevertheless, the current is distributed over the area of solid electrodes in such a way that the current density increases from the center to the perimeter with concentration at the edges of the cathode and anode. This effect can be compensated and the current concentration along the periphery can be significantly reduced by a similar and adequate increase in resistance in the interpole gap and in such a way that the current density does not change over the width and in general over the area of the electrodes. These conditions are satisfied by the elliptical shape of the electrodes with an adequate increase in the interpolar distance from the center to the periphery. Determination of the shape of the electrodes and the corresponding variable MPR can be carried out by a long-term empirical method or by a quick calculation. The calculation is based on Ohm's law and the dependence of the current density on the dimensionless coordinate x / L ... According to equation (1), the interelectrode distance l x in the transverse or longitudinal direction of the electrode at points x will change so that the specified geometric current density on the electrode surface j did not change in the interval -L ≤x ≤ L...
При горизонтальном расположении электродов, например, в электролизере с плоским дренированным катодом, эллиптическую форму имеет только инертный анод (Фиг. 1). При заданных параметрах уравнения (1) и текущей точке в пределах ширины анода (-L ≤ x ≤ L) его профиль будет изменяться с увеличением междуполюсного расстояния от l 0 к l x и до l n (Фиг. 1). При вертикальном расположении электродов эллиптическую форму имеют анод и катод (Фиг. 2). Профиль анода и катода равной ширины (j кат / j анод = 1) симметрично формируется относительно центральной оси в междуполюсном пространстве при текущем увеличении междуполюсного расстояния от центра к периферии электродов (Фиг. 2а). Для создания благоприятных условий работы анодов при пониженных плотностях тока и сохранения скорости катодного процесса ширину катода уменьшают пропорционально соотношению 1< j кат / j анод ≤ 5,5 (Фиг. 2b). При соотношении катодной плотности тока к анодной меньше 1, то есть при j кат < j анод , сохранение высокой производительности приведет к повышенному расходу анода и загрязнению алюминия примесями – составляющими анода. При j кат / j анод > 5,5 малые размеры катода не позволяют создать условия для выравнивания плотностей тока на электродах.With the horizontal arrangement of the electrodes, for example, in an electrolyzer with a flat drained cathode, only the inert anode has an elliptical shape (Fig. 1). With the given parameters of equation (1) and the current point within the anode width (-L ≤ x ≤ L) its profile will change with an increase in the pole-to-pole distance froml 0 Tol x and beforel n (Fig. 1). With the vertical arrangement of the electrodes, the anode and the cathode have an elliptical shape (Fig. 2). Anode and cathode profiles of equal width (j cat / j anode = 1) symmetrically formed with respect to the central axis in the interpolar space with a current increase in the interpolar distance from the center to the periphery of the electrodes (Fig. 2a). To create favorable conditions for the operation of the anodes at low current densities and maintain the rate of the cathodic process, the width of the cathode is reduced in proportion to the ratio 1 <j cat / j anode ≤ 5.5 (Fig. 2b). When the ratio of the cathode current density to the anode current density is less than 1, that is, atj cat <j anode , maintaining high productivity will lead to increased consumption of the anode and contamination of aluminum with impurities - the components of the anode. Atj cat / j anode > 5.5 the small dimensions of the cathode do not allow creating conditions for equalizing the current densities at the electrodes.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Прежде всего выбирается схема расположения электродов - горизонтальная или вертикальная. На основании проекта электролизера и размеров электродов, в соответствии с уравнением (1) рассчитываются одновременно междуполюсное расстояние и профиль электродов, после чего осуществляется их изготовление по отработанным технологиям производства твердых анодов и катодов. First of all, the layout of the electrodes is chosen - horizontal or vertical. Based on the design of the electrolyzer and the dimensions of the electrodes, in accordance with equation (1), the pole-to-pole distance and the profile of the electrodes are calculated simultaneously, after which they are manufactured according to the proven technologies for the production of solid anodes and cathodes.
Реализацию предлагаемого решения осуществляли предварительными расчетами и проверяли в лабораторных условиях. Способ и конструкция электродов для электролитического получения алюминия поясняется следующими фигурами:The implementation of the proposed solution was carried out by preliminary calculations and checked in laboratory conditions. The method and design of electrodes for electrolytic production of aluminum is illustrated by the following figures:
Фиг. 1 - схема анода с горизонтальным расположением в электролизере:FIG. 1 is a diagram of an anode with a horizontal arrangement in an electrolyzer:
1 - тело анода; 2 - вертикальные ребра; 3 - токоподвод; 4 - поверхность катода.1 - anode body; 2 - vertical ribs; 3 - current lead; 4 - cathode surface.
Фиг. 2 - схема конструкции анодно-катодной сборки при вертикальном расположении электродов в электролизере.FIG. 2 is a diagram of the structure of the anode-cathode assembly with vertical arrangement of the electrodes in the electrolyzer.
Фиг. 3 - исходные параметры и результаты расчета потерь напряжения в электролите.FIG. 3 - initial parameters and results of calculating voltage losses in the electrolyte.
Фиг. 4 - результаты расчета профилей электродов с горизонтальным (а) и вертикальным (b) расположением в электролизере.FIG. 4 - the results of calculating the profiles of electrodes with horizontal (a) and vertical (b) arrangement in the electrolyzer.
Фиг. 5 - вид катодов после эксперимента с цилиндрическим (а) и эллиптическим (b) профилями.FIG. 5 - view of the cathodes after the experiment with cylindrical (a) and elliptical (b) profiles.
Пример 1. Для расчета профилей горизонтально и вертикально расположенных электродов принимаем, что ширина электродов составляет 40 см, а средние потери напряжения (U эл-т ) в междуполюсном зазоре рассчитываем по уравнениям, предложенным [6]:Example 1. To calculate the profiles of horizontally and vertically located electrodes, we assume that the width of the electrodes is 40 cm, and the average voltage loss ( U el-t ) in the pole gap is calculated by the equations proposed [6]:
Параметры уравнений (8) и (9), их принятые и расчетные значения представлены на Фиг. 3. The parameters of equations (8) and (9), their accepted and calculated values are presented in Fig. 3.
С использованием этих данных в соответствии с формулой (1) осуществляли расчет междуполюсного расстояния (МПР) и, в конечном итоге, профиля электродов. Результаты расчетов для горизонтального и вертикального расположения электродов представлены соответственно на Фиг. 4а и Фиг. 4b. Using these data, in accordance with formula (1), the interpole distance (MPD) and, ultimately, the electrode profile were calculated. The calculation results for the horizontal and vertical arrangement of the electrodes are presented, respectively, in Fig. 4a and FIG. 4b.
Необходимо отметить, что эллиптичность анода k с горизонтальным расположением электродов примерно в два раза выше, чем эллиптичность электродов при вертикальном расположении. Соответственно, параметр k характеризует материалоемкость электрода с одной стороны, а с другой срок его службы до замены на новый. В этой связи, при проектировании электродов необходимо определять оптимальные значения k , то есть оптимальные габаритные размеры.It should be noted that the ellipticity of the anode k with a horizontal arrangement of the electrodes is approximately two times higher than the ellipticity of the electrodes with a vertical arrangement. Accordingly, the parameter k characterizes the material consumption of the electrode, on the one hand, and, on the other, its service life before replacing it with a new one. In this regard, when designing electrodes, it is necessary to determine the optimal values of k , that is, the optimal overall dimensions.
Пример 2. Эксперименты осуществлялись на лабораторной установке в гальваностатических условиях при температуре 970°С, плотности тока 0,8 А/см2 и междуполюсном расстоянии МПР = 25 мм в течение 18 часов. Применялась ячейка, в которой анодом служил графитовый тигель диаметром 80 мм и глубиной 90 мм с 10 мм слоем жидкого алюминия на дне, катодом - погруженный в электролит композитный цилиндр (Углерод + 40 мас.% TiB 2 ) диаметром 30 мм и высотой 50 мм. Предварительно изготавливались заготовки композитных катодов диаметром 40 мм и высотой 60 мм составлением исходной антрацито-графитовой шихты с добавками диборида титана TiB 2 (для придания катоду свойства смачиваемости алюминием) на связке из высокотемпературного пека, прессованием и обжигом при 1080°С в течение 4 суток под слоем нефтяного косика. Заготовки обтачивались на станке до установленных размеров (∅=30 мм, h = 50 мм) двух форм - цилиндрической с острой кромкой по окружности и цилиндрической с эллиптической формой рабочей поверхности по профилю, рассчитанному по формуле. Готовили сухую смесь электролита Na 3 AlF 6 +AlF 3 +Al 2 O 3 (6 мас.%) с криолитовым отношением NaF/AlF 3 = 2,5. После расплавления сухой смеси измеряли уровни электролита и алюминия, погружали катоды на 30-40 мм в расплав по центру тигля, включали установку с автоматическим поддержанием силы тока и непрерывной регистрацией напряжения. Рабочее пространство печи в течение всего опыта продували аргоном. Эксперименты проводили последовательно с катодами необработанными цилиндрическими и с эллиптической формой рабочего торца. Example 2. The experiments were carried out on a laboratory setup in galvanostatic conditions at a temperature of 970 ° C, a current density of 0.8 A / cm2 and the interpolar distance MPR = 25 mm for 18 hours. A cell was used in which a graphite crucible with a diameter of 80 mm and a depth of 90 mm with a 10 mm layer of liquid aluminum at the bottom served as the anode, a composite cylinder immersed in the electrolyte (Carbon + 40 wt.%TiB 2 ) with a diameter of 30 mm and a height of 50 mm. Pre-fabricated blanks of composite cathodes with a diameter of 40 mm and a height of 60 mm by compiling an initial anthracite-graphite mixture with additions of titanium diborideTiB 2 (to give the cathode the property of wettability with aluminum) on a binder of high-temperature pitch, by pressing and firing at 1080 ° C for 4 days under a layer of oil braid. The workpieces were turned on a machine to the specified dimensions (∅ = 30 mm, h = 50 mm) of two shapes - cylindrical with a sharp edge along the circumference and cylindrical with an elliptical shape of the working surface along the profile calculated by the formula. Preparing a dry mixture of electrolyteNa 3 AlF 6 + AlF 3 + Al 2 O 3 (6 wt%) with cryolite ratioNaF / AlF 3 = 2.5. After melting the dry mixture, the levels of electrolyte and aluminum were measured, the cathodes were immersed 30–40 mm into the melt in the center of the crucible, and the unit was turned on with automatic maintenance of the current strength and continuous recording of voltage. The working space of the furnace was purged with argon throughout the experiment. The experiments were carried out sequentially with untreated cylindrical cathodes and with an elliptical shape of the working end.
После отключения установки образцы катодов извлекали из электролизной ячейки, очищали, осматривали на наличие слоя алюминия на катоде. Отмечено, что электролиз с катодами необработанными проходил нестабильно со значительной флуктуацией напряжения от 2,8 до 5,5 вольт, поверхность катода пассивирована неравномерным слоем электролита (Фиг. 5а). Процесс электролиза с катодами, обработанными по кромке торца до эллиптической формы, проходил стабильно при напряжении 3,15-3,25 вольт, на смачиваемой поверхности наблюдали слой алюминия (Фиг. 5b).After switching off the installation, the cathode samples were removed from the electrolysis cell, cleaned, and examined for the presence of an aluminum layer on the cathode. It is noted that the electrolysis with untreated cathodes was unstable with a significant voltage fluctuation from 2.8 to 5.5 volts, the cathode surface is passivated by an uneven electrolyte layer (Fig. 5a). The electrolysis process with cathodes processed along the edge of the end to an elliptical shape was stable at a voltage of 3.15-3.25 volts, an aluminum layer was observed on the wetted surface (Fig. 5b).
Таким образом, расчеты по формуле (1) позволяют определить междуполюсное расстояние между электродами и одновременно - форму электродов в зависимости от их габаритов и технологических параметров электролиза. Как показали эксперименты, предлагаемый способ электролитического получения алюминия с применением переменных значений МПР и соответствующей формой электродов позволяет равномерно распределить ток по эллиптической поверхности катодов и анодов, вести стабильный процесс электролиза с получением алюминия. Осуществление способа с применением твердых электродов позволит вести электролиз с уменьшенным МПР (расходом электроэнергии), пониженным расходом анодов, с повышенной удельной производительностью и получением алюминия стандартного качества.Thus, calculations according to formula (1) make it possible to determine the pole-to-pole distance between the electrodes and, at the same time, the shape of the electrodes, depending on their dimensions and technological parameters of electrolysis. Experiments have shown that the proposed method for the electrolytic production of aluminum using variable values of the MPR and the corresponding shape of the electrodes allows the current to be uniformly distributed over the elliptical surface of the cathodes and anodes, to conduct a stable electrolysis process with the production of aluminum. The implementation of the method with the use of solid electrodes will allow electrolysis with a reduced MPR (power consumption), a reduced consumption of anodes, with an increased specific productivity and obtaining aluminum of standard quality.
Источники информацииSources of information
1. Патент US № 4681671 C25C3/06, C25C3/12, 1987 г.1. US patent No. 4681671 C25C3 / 06, C25C3 / 12, 1987
2. Патент US № 5015343 C25C3/06, C25B1/02, 1991 г.2. US patent No. 5015343 C25C3 / 06, C25B1 / 02, 1991
3. Патент РФ № 2374362, C25C3/12, 2009 г.3. RF patent No. 2374362, C25C3 / 12, 2009
4. Патент РФ № 2689162, C25C3/12, 2019 г.4. RF patent No. 2689162, C25C3 / 12, 2019
5. Патент US № 5362366 C25C3/06, C25C3/08, 1994 г.5. US patent No. 5362366 C25C3 / 06, C25C3 / 08, 1994
6. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to Aluminium Electrolysis. 2nd Edition. - Aluminium-Verlag, Dusseldorf, 1993. - 212 p.6. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to Aluminum Electrolysis. 2nd Edition. - Aluminum-Verlag, Dusseldorf, 1993 .-- 212 p.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142533A RU2758697C1 (en) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | Method for electrolytic production of aluminium using solid electrodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142533A RU2758697C1 (en) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | Method for electrolytic production of aluminium using solid electrodes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2758697C1 true RU2758697C1 (en) | 2021-11-01 |
Family
ID=78466770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020142533A RU2758697C1 (en) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | Method for electrolytic production of aluminium using solid electrodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2758697C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5015343A (en) * | 1987-12-28 | 1991-05-14 | Aluminum Company Of America | Electrolytic cell and process for metal reduction |
| US5362366A (en) * | 1992-04-27 | 1994-11-08 | Moltech Invent S.A. | Anode-cathode arrangement for aluminum production cells |
| RU2275443C2 (en) * | 2004-07-23 | 2006-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Multipolar electrolysis bath for production of the molten metals by the electrolysis of the melts and the method of the electrolysis baths mounting |
| RU2374362C2 (en) * | 2004-06-03 | 2009-11-27 | Мольтех Инвент С.А. | High-resistant running non-coal anodes for electrolytic receiving of aluminium |
| RU2457285C1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-07-27 | Семен Игоревич Ножко | Electrolysis unit for aluminium manufacture |
-
2020
- 2020-12-23 RU RU2020142533A patent/RU2758697C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5015343A (en) * | 1987-12-28 | 1991-05-14 | Aluminum Company Of America | Electrolytic cell and process for metal reduction |
| US5362366A (en) * | 1992-04-27 | 1994-11-08 | Moltech Invent S.A. | Anode-cathode arrangement for aluminum production cells |
| RU2374362C2 (en) * | 2004-06-03 | 2009-11-27 | Мольтех Инвент С.А. | High-resistant running non-coal anodes for electrolytic receiving of aluminium |
| RU2275443C2 (en) * | 2004-07-23 | 2006-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Multipolar electrolysis bath for production of the molten metals by the electrolysis of the melts and the method of the electrolysis baths mounting |
| RU2457285C1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-07-27 | Семен Игоревич Ножко | Electrolysis unit for aluminium manufacture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2101392C1 (en) | Aluminum-producing electrolyzer, anode pack of electrolyzer, method of rearranging electrolyzer, and method of aluminum production | |
| US6387237B1 (en) | Cathode collector bar with spacer for improved heat balance and method | |
| RU2680039C1 (en) | Systems and methods for purifying aluminum | |
| US5725744A (en) | Cell for the electrolysis of alumina at low temperatures | |
| CA1164823A (en) | Electrode arrangement in a cell for manufacture of aluminum from molten salts | |
| EP1147246B1 (en) | Cathode collector bar with spacer for improved heat balance | |
| US4707239A (en) | Electrode assembly for molten metal production from molten electrolytes | |
| WO2006007863A1 (en) | Electrolysis apparatus with solid electrolyte electrodes | |
| US4121983A (en) | Metal production | |
| RU2758697C1 (en) | Method for electrolytic production of aluminium using solid electrodes | |
| DK202370308A1 (en) | Controlling electrode current density of an electrolytic cell | |
| CA3030330C (en) | Advanced aluminum electrolysis cell | |
| CA1143326A (en) | Controlled wettability graphite electrodes for selective use in electrolysis cells | |
| RU2415973C2 (en) | Procedure for production of aluminium by electrolysis of melt | |
| CN103993332A (en) | Energy-saving aluminium electrolysis tank and auxiliary pole thereof | |
| NO309155B1 (en) | Cell for electrolysis of alumina preferably at low temperatures and use of the cell | |
| US3676323A (en) | Fused salt electrolyzer for magnesium production | |
| RU2716726C1 (en) | Method of applying protective coating on electrolytic cell cathodes for aluminum production | |
| RU2742633C1 (en) | Method for producing aluminum by electrolysising cryolito-aluminum melts | |
| CA1143327A (en) | Selective use of wettable and non-wettable graphite electrodes in electrolysis cells | |
| USRE28829E (en) | Fused salt electrolyzer for magnesium production | |
| RU1772219C (en) | Method of aluminium production | |
| RU2137864C1 (en) | Method of producing magnesium on graphite electrode | |
| SU42302A1 (en) | Electrolyzer with bipolar electrodes | |
| CA3197049A1 (en) | Removing impurities from an electrolyte |