RU2809349C1 - Device for electrochemical refining of aluminium in electrolysers (variants) - Google Patents
Device for electrochemical refining of aluminium in electrolysers (variants) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809349C1 RU2809349C1 RU2023103727A RU2023103727A RU2809349C1 RU 2809349 C1 RU2809349 C1 RU 2809349C1 RU 2023103727 A RU2023103727 A RU 2023103727A RU 2023103727 A RU2023103727 A RU 2023103727A RU 2809349 C1 RU2809349 C1 RU 2809349C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- aluminum
- electrolyte
- molten
- porous diaphragm
- Prior art date
Links
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 100
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 93
- 238000007670 refining Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 title abstract 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 52
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 5
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 claims description 5
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 17
- GPGMRSSBVJNWRA-UHFFFAOYSA-N hydrochloride hydrofluoride Chemical compound F.Cl GPGMRSSBVJNWRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 8
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 7
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminum fluoride Inorganic materials F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- -1 for example Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910016036 BaF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- WPPDFTBPZNZZRP-UHFFFAOYSA-N aluminum copper Chemical compound [Al].[Cu] WPPDFTBPZNZZRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000011833 salt mixture Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для рафинирования расплава алюминия или его сплавов от металлических примесей.The invention relates to non-ferrous metallurgy and can be used for refining molten aluminum or its alloys from metal impurities.
Уровень техникиState of the art
Очистка алюминия от нежелательных примесей является важной технологией, позволяющей получать алюминий высокой чистоты. В последнее время наметилась важная тенденция к необходимости создания технологии, позволяющей работать с различными типами исходного сырья, в том числе различного алюминиевого скрапа. Одним из важнейших направлений этих работ является создание и совершенствование электрохимических технологий очистки. Впервые технология очистки была предложена в патенте US 673364 и представляла собой трёхслойный электролизер, в котором роль анодного металла выполнял загрязненный алюминиевый сплав. Существенным недостатком данного способа являются высокие энергетические затраты на процесс очистки, что приводит к высокой себестоимости очищенного алюминия. Purification of aluminum from unwanted impurities is an important technology that makes it possible to obtain high-purity aluminum. Recently, an important trend has emerged towards the need to create technology that allows working with various types of feedstock, including various aluminum scrap. One of the most important areas of this work is the creation and improvement of electrochemical cleaning technologies. The purification technology was first proposed in US patent 673364 and was a three-layer electrolyzer in which the role of the anode metal was performed by a contaminated aluminum alloy. A significant disadvantage of this method is the high energy costs for the purification process, which leads to the high cost of purified aluminum.
С учетом постоянно ужесточающихся экологических инициатив и международных законодательств создание энергоэффективных технологий очистки алюминия является важной и актуальной задачей.Taking into account the ever-tightening environmental initiatives and international legislation, the creation of energy-efficient technologies for aluminum purification is an important and urgent task.
Известен способ (Х. Чанг, В. де Нора и Дж.А. Секхар. «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд. Красноярск. гос. ун-т, Красноярск, 1998.) трехслойного электрохимического рафинирования металлов, согласно которому алюминий, подлежащий рафинированию от нежелательных металлических примесей, таких как железо, кремний, медь, никель и другие, специально утяжеляется добавлением меди (около 30%) и такой сплав при электролизе поляризуется анодно. Электролитом служит хлоридно-фторидный расплав. Температура рафинирования составляет 800 °C. В этом случае чистый алюминий оказывается легче электролита и, являясь катодом, всплывает на поверхность электролита. Схема такого электролизера представлена на фиг.1, где: There is a known method (H. Chang, V. de Nora and J.A. Sekhar. “Materials used in the production of aluminum by the Héroux-Hall method.” - Publishing house of Krasnoyarsk State University, Krasnoyarsk, 1998.) of three-layer electrochemical refining metals, according to which aluminum, which is subject to refining from undesirable metal impurities such as iron, silicon, copper, nickel and others, is specially made heavier by the addition of copper (about 30%) and such an alloy is polarized anodic during electrolysis. The electrolyte is a chloride-fluoride melt. The refining temperature is 800 °C. In this case, pure aluminum turns out to be lighter than the electrolyte and, being a cathode, floats to the surface of the electrolyte. The diagram of such an electrolyzer is presented in Fig. 1, where:
1. Бортовые блоки 1. Side blocks
2. Угольный блок подовый 2. Coal block hearth
3. Теплоизоляция 3. Thermal insulation
4. Анодный токоподвод 4. Anode current lead
5. Алюминиево-медный анодный сплав 5. Aluminum-copper anode alloy
6. Хлоридно-фторидный электролит 6. Chloride-fluoride electrolyte
7. Рафинированный алюминий 7. Refined aluminum
8. Катодный токоподвод 8. Cathode current lead
9. Крышка 9. Cover
10. Летка для заливки алюминия 10. Tap hole for pouring aluminum
При пропускании постоянного тока на аноде создаются условия для преимущественного растворения алюминия и более электроотрицательных металлов, а менее электроотрицательные накапливаются в анодном сплаве, который периодически очищается от кристаллизующихся при накоплении примесей интерметаллидов железа, кремния, меди и др. В катодном процессе не достигаются условия для электрохимического выделения более электроотрицательных металлов, таким образом происходит выделение только алюминия. Недостатком известного электролизера является то, что, чтобы исключить случайное загрязнение катодного металла частичками анодного сплава, поддерживается большое межэлектродное расстояние на уровне 15 см, следствием чего является большое напряжение на электролизере (около 5,5 В) и, как результат, высокий удельный расход энергии, даже при выходе по току η=0,98 составляющий более 18 кВт*ч/кг Al. Недостатком способа также является необходимость использования меди для утяжеления анодного сплава.When a direct current is passed through the anode, conditions are created for the preferential dissolution of aluminum and more electronegative metals, and less electronegative metals accumulate in the anode alloy, which is periodically cleaned of intermetallic impurities of iron, silicon, copper, etc., which crystallize during the accumulation. In the cathodic process, conditions for electrochemical release of more electronegative metals, thus only aluminum is released. The disadvantage of the known electrolyzer is that, in order to prevent accidental contamination of the cathode metal with particles of the anode alloy, a large interelectrode distance is maintained at 15 cm, which results in a high voltage on the electrolyzer (about 5.5 V) and, as a result, high specific energy consumption , even with a current output η=0.98 of more than 18 kW*h/kg Al. Another disadvantage of this method is the need to use copper to weight the anode alloy.
Также известен способ и устройство электрохимического рафинирования (патент RU 2558316, опубл. 27.07.2015), в котором технический результат достигается применением виброакустического, и/или ультразвукового, и/или электромагнитного, и/или МГД воздействия на следующие компоненты электролизера: мембрану (с одной стороны и/или с обеих сторон), электролит, первичный неочищенный металл, рафинированный металл, поверхности раздела сред между неочищенным металлом, мембраной и рафинированным металлом. Недостатком данного способа является невозможность пополнения и контроля состава электролита за счет чего электролизер имеет малый ресурс эксплуатации, ограниченный буферной емкостью электролита по более электроотрицательным металлам, находящегося только в порах диафрагмы. There is also a known method and device for electrochemical refining (patent RU 2558316, published on July 27, 2015), in which the technical result is achieved by using vibroacoustic, and/or ultrasonic, and/or electromagnetic, and/or MHD effects on the following components of the electrolyzer: membrane (with one side and/or both sides), electrolyte, primary crude metal, refined metal, interfaces between crude metal, membrane and refined metal. The disadvantage of this method is the impossibility of replenishing and controlling the composition of the electrolyte, due to which the electrolyzer has a short service life, limited by the buffer capacity of the electrolyte for more electronegative metals, located only in the pores of the diaphragm.
Наиболее близким к заявляемому устройству и способу для рафинирования алюминия является прототип, где техническое решение основано на том, что первичный, подлежащий очистке металл, погружается в емкость из проницаемого для электролита, но не проницаемого для металла материала, размещенную в электролите, а очищенный металл образуется на подине электролизера или на поверхности отдельного катода (патент US 4115215, опубл. 19.09.1978). Недостатком данного способа является преобладание площади поверхности катода над площадью поверхности анода, таким образом общая производительность устройства ограничивается анодной плотностью тока, определяющей качество получаемого металла.The closest to the claimed device and method for refining aluminum is a prototype, where the technical solution is based on the fact that the primary metal to be purified is immersed in a container made of a material permeable to the electrolyte, but not permeable to the metal, placed in the electrolyte, and the purified metal is formed on the bottom of the electrolyzer or on the surface of a separate cathode (US patent 4115215, published 09/19/1978). The disadvantage of this method is the predominance of the cathode surface area over the anode surface area, thus the overall performance of the device is limited by the anode current density, which determines the quality of the resulting metal.
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
Технической задачей изобретения является создание способа и устройства, предназначенного для электролитического рафинирования алюминия с повышенной производительностью рабочего объема, пониженными энергозатратами на единицу продукции и возможностью проведения долговременного электролиза путем дополнения и корректировки состава электролита, а также возможностью смены диафрагмы при необходимости.The technical objective of the invention is creation of a method and device intended for electrolytic refining of aluminum with increased productivity of the working volume, reduced energy consumption per unit of product and the possibility of carrying out long-term electrolysis by adding and adjusting the composition of the electrolyte, as well as the possibility of changing the diaphragm if necessary.
Техническая задача решается тем, что по одному из вариантов в устройстве для электролитического рафинирования алюминия и/или его сплавов от металлических примесей, содержащем емкость с крышкой, футерованную огнеупорными материалами, для размещения в нем расплавленного анодного алюминия с анодным токоподводом, электролита и расплавленного катодного алюминия, катода с токоподводом и сборного резервуара для катодного алюминия, по меньшей мере одну пористую диафрагму, согласно заявляемому изобретению, пористая диафрагма устройства выполнена в виде замкнутой съемной емкости, установленной посредством крепления на крышке и заполненной электролитом, проницаемой для электролита и непроницаемой для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с примесями и расплавленного катодного алюминия, в которую загружен катод с токоподводом и которая погружена в расплавленный анодный алюминий, при этом катод c токоподводом закреплен внутри емкости пористой диафрагмы в вертикальном положении, а в донной части катода выполнены дренажные каналы, расположенные на уровне расплава катодного алюминия для возможности его удаления из емкости пористой диафрагмы в сборный резервуар.The technical problem is solved by the fact that according to one of the options, in a device for electrolytic refining of aluminum and/or its alloys from metal impurities, containing a container with a lid, lined with refractory materials, to accommodate molten anode aluminum with an anode current supply, electrolyte and molten cathode aluminum , a cathode with a current supply and a collection tank for cathode aluminum, at least one porous diaphragm, according to the claimed invention, the porous diaphragm of the device is made in the form of a closed removable container installed by means of fastening on the lid and filled with electrolyte, permeable to the electrolyte and impermeable to molten aluminum or aluminum alloy with impurities and molten cathode aluminum, into which a cathode with a current supply is loaded and which is immersed in molten anode aluminum, while the cathode with a current supply is fixed inside the porous diaphragm container in a vertical position, and in the bottom part of the cathode there are drainage channels located at the level of the melt cathode aluminum so that it can be removed from the porous diaphragm container into a collection tank.
По второму варианту в устройстве для электролитического рафинирования алюминия и/или его сплавов от металлических примесей, содержащем емкость с крышкой, футерованную огнеупорными материалами, для размещения в нем расплавленного анодного алюминия с анодным токоподводом, электролита и расплавленного катодного алюминия, катода с токоподводом и сборного резервуара для катодного алюминия, по меньшей мере одну пористую диафрагму, согласно заявляемому изобретению, пористая диафрагма устройства выполнена в виде замкнутой съемной емкости, установленной посредством крепления на крышке и заполненной электролитом, проницаемой для электролита и непроницаемой для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с примесями и расплавленного катодного алюминия, в которую загружен катод с токоподводом и которая погружена в расплавленный анодный алюминий, при этом катод c токоподводом закреплен внутри емкости пористой диафрагмы в вертикальном положении, а в стенках катода или в креплении и крышке выполнены дренажные каналы, расположенные на уровне зеркала расплава для возможности удаления катодного алюминия из емкости пористой диафрагмы в сборный резервуар.According to the second option, in a device for electrolytic refining of aluminum and/or its alloys from metal impurities, containing a container with a lid, lined with refractory materials, to accommodate molten anode aluminum with an anode current supply, electrolyte and molten cathode aluminum, a cathode with a current supply and a collection tank for cathode aluminum, at least one porous diaphragm, according to the claimed invention, the porous diaphragm of the device is made in the form of a closed removable container installed by means of fastening on the lid and filled with electrolyte, permeable to the electrolyte and impermeable to molten aluminum or an aluminum alloy with impurities and molten cathode aluminum, into which a cathode with a current supply is loaded and which is immersed in molten anode aluminum, while the cathode with a current supply is fixed inside the container of a porous diaphragm in a vertical position, and in the walls of the cathode or in the mount and cover there are drainage channels located at the level of the melt mirror for the possibility of removing cathode aluminum from the porous diaphragm container into a collection tank.
Вертикальный катод может быть выполнен из смачиваемой алюминием керамики, например, из TiB2 или ZrB2. The vertical cathode can be made of aluminum-wettable ceramic, for example TiB 2 or ZrB 2 .
Пористая диафрагма может быть выполнена из углеродных материалов или неорганических волокнистых материалов или из оксидной керамики, например, из Al2O3 или MgO.The porous diaphragm can be made of carbon materials or inorganic fibrous materials or oxide ceramics, for example, Al 2 O 3 or MgO.
Дренажные каналы в стенках катода или в донной части катода могут быть выполнены под углом от 45 до 90 градусов относительно вертикальной стенки катода.Drainage channels in the walls of the cathode or in the bottom part of the cathode can be made at an angle of 45 to 90 degrees relative to the vertical wall of the cathode.
Дренажный канал, выполненный в креплении диафрагмы может быть соединен со сборным резервуаром посредством направляющего канала, размещенного в крышке, который может быть выполнен из смачиваемым алюминием материалом или футерован смачиваемым алюминием материалом для возможности отвода катодного алюминия самотеком.The drainage channel made in the diaphragm mount can be connected to the collection tank by means of a guide channel located in the lid, which can be made of aluminum wettable material or lined with aluminum wettable material to allow cathode aluminum to be drained by gravity.
Техническая задача также решается за счет того, что в способе электролитического рафинирования алюминия и/или его сплавов от примесей, включающем размещение расплава загрязненного алюминия и электролита, содержащего расплав смеси солей щелочных или щелочноземельных металлов и соли алюминия в устройство для электролитического рафинирования, подведение постоянного тока и проведение электролитического рафинирования, согласно заявляемому изобретению, используют устройство по любому из двух вариантов, при этом процесс рафинирования ведут с катодной плотностью тока в диапазоне от 0,5 до 21 А/см2, в диапазоне температур от 780 до 920 ⁰С, а электролит в расплавленном состоянии имеет плотность меньшую или большую, чем плотность катодного алюминия (5).The technical problem is also solved due to the fact that in the method of electrolytic refining of aluminum and/or its alloys from impurities, including placing a melt of contaminated aluminum and an electrolyte containing a melt of a mixture of salts of alkali or alkaline earth metals and aluminum salts in a device for electrolytic refining, supplying direct current and carrying out electrolytic refining, according to the claimed invention, use a device according to any of two options, while the refining process is carried out with a cathode current density in the range from 0.5 to 21 A/cm 2, in the temperature range from 780 to 920 ⁰C, and the electrolyte in the molten state, it has a density lower or higher than the density of cathode aluminum (5).
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Заявляемое устройство представлено на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 и содержит: бортовые блоки 1, подовые блоки 2, теплоизоляцию 3, вертикальный катод с токоподводом 4, катодный алюминий 5, съемную пористую диафрагму 6, хлоридно-фторидный или фторидный электролит 7, анодный алюминий 8, анодный токоподвод 9, крепление 10 пористой диафрагмы 6, дренажные каналы 13, расположенные в стенках катода или креплении 10, устройство эвакуации алюминия со сборным резервуаром катодного алюминия 11, крышки устройства 12. Верхняя поверхность катодного и анодного алюминия может быть защищена от окисления на воздухе солями и/или аргоном, или вакуумом. Съемная пористая диафрагма 6 может быть выполнена из электропроводного или неэлектропроводного материала. The inventive device is shown in Fig. 2, fig. 3 and fig. 4 and contains: side blocks 1, bottom blocks 2, thermal insulation 3, vertical cathode with current lead 4, cathode aluminum 5, removable porous diaphragm 6, chloride-fluoride or fluoride electrolyte 7, anode aluminum 8, anode current lead 9, porous diaphragm fastening 10 6, drainage channels 13 located in the walls of the cathode or mount 10, an aluminum evacuation device with a collection tank of cathode aluminum 11, device covers 12. The upper surface of the cathode and anode aluminum can be protected from oxidation in air with salts and/or argon, or vacuum. The removable porous diaphragm 6 can be made of electrically conductive or non-electrically conductive material.
На фиг. 2 представлен электролизер с одной диафрагмой, который предусматривает использование хлоридно-фторидного или фторидного электролита с плотностью большей, чем плотность катодного алюминия. За счет этого катодный алюминий 5 собирается на зеркале расплава в верхней части диафрагмы, откуда удаляется при помощи устройства аккумулирования и эвакуации алюминия 11. In fig. 2 shows a single-diaphragm electrolyzer, which involves the use of a chloride-fluoride or fluoride electrolyte with a density greater than that of cathode aluminum. Due to this, cathode aluminum 5 is collected on the melt mirror in the upper part of the diaphragm, from where it is removed using the aluminum accumulation and evacuation device 11.
Электролизер с парными диафрагмами (фиг. 3) предусматривает использование хлоридно-фторидного или фторидного электролита с плотностью меньшей, чем плотность катодного алюминия. За счет этого катодный алюминий 5 собирается в приемнике в нижней части диафрагмы, откуда удаляется при помощи устройства аккумулирования и эвакуации алюминия 11. Верхняя поверхность электролита и анодного алюминия может быть защищена от окисления на воздухе солями и/или аргоном, или вакуумом. При этом используется аналогичный устройству (фиг. 2) принцип электрохимической очистки алюминия, за счет чего достигается тот же технический результат, что и при применении электролита с плотностью большей, чем плотность катодного алюминия.An electrolyzer with paired diaphragms (Fig. 3) involves the use of a chloride-fluoride or fluoride electrolyte with a density less than that of cathode aluminum. Due to this, cathode aluminum 5 is collected in the receiver in the lower part of the diaphragm, from where it is removed using an aluminum accumulation and evacuation device 11. The upper surface of the electrolyte and anode aluminum can be protected from oxidation in air with salts and/or argon, or vacuum. In this case, a principle of electrochemical purification of aluminum similar to the device (Fig. 2) is used, due to which the same technical result is achieved as when using an electrolyte with a density greater than the density of cathode aluminum.
На фиг. 4 представлен электролизер с одной диафрагмой, который предусматривает использование хлоридно-фторидного или фторидного электролита с плотностью большей, чем плотность катодного алюминия. За счет этого катодный алюминий 5 собирается на зеркале расплава в верхней части диафрагмы, откуда удаляется через дренажный канал 13, размещенный в креплении диафрагмы 10 при помощи устройства аккумулирования и эвакуации катодного алюминия 11 в сборный резервуар.In fig. 4 shows a single-diaphragm electrolyzer, which involves the use of a chloride-fluoride or fluoride electrolyte with a density greater than that of cathode aluminum. Due to this, cathode aluminum 5 is collected on the melt mirror in the upper part of the diaphragm, from where it is removed through the drainage channel 13, located in the diaphragm mount 10 using a device for accumulating and evacuating cathode aluminum 11 into a collection tank.
Процесс заключается в электролитическом переносе ионов алюминия от анодной поверхности, ограниченной пористой диафрагмой через расплав электролита к поверхности катода. При этом поддерживаются такие условия анодного растворения и катодного осаждения (температура электролита в диапазоне 780 до 920 ⁰С, плотность тока в диапазоне 0,5 до 21 А/см2), при которых преимущественно не происходит растворения менее электроотрицательных металлов, чем алюминий, на аноде и не происходит осаждения более электроотрицательных, чем алюминий, металлов на катоде. В качестве материала диафрагмы применяется оксидная керамика, углеродные материалы, а также неорганические волокна. Материал диафрагмы выбран таким способом, что не позволяет очищаемому расплаву и катодному металлу проникнуть через нее за счет эффекта смачивания и капиллярных сил. Благодаря возможности формирования в жидком расплаве металла емкости с электролитом известной формы и отсутствии опасности возникновения короткого замыкания между слоями металла, удается осуществлять процесс в вертикальном расположении с точно регулируемым значением межполюсного расстояния, что позволяет точно управлять температурным режимом и обеспечивать сниженный расход электроэнергии при существенном повышении удельной производительности объема расплава. Также отсутствует необходимость утяжеления анодного расплава медью. Доступность зеркала расплава электролита позволяет при необходимости вести дополнение, контроль и корректировку его состава. The process consists of the electrolytic transfer of aluminum ions from the anode surface, limited by a porous diaphragm, through the electrolyte melt to the cathode surface. At the same time, such conditions of anodic dissolution and cathodic deposition are maintained (electrolyte temperature in the range of 780 to 920 ⁰C, current density in the range of 0.5 to 21 A/cm 2 ), under which there is predominantly no dissolution of less electronegative metals than aluminum on the anode and there is no deposition of metals more electronegative than aluminum on the cathode. Oxide ceramics, carbon materials, and inorganic fibers are used as diaphragm materials. The diaphragm material is selected in such a way that it does not allow the melt to be cleaned and the cathode metal to penetrate through it due to the effect of wetting and capillary forces. Due to the possibility of forming a container with an electrolyte of a known shape in a liquid molten metal and the absence of the danger of a short circuit between the layers of metal, it is possible to carry out the process in a vertical arrangement with a precisely controlled value of the interpolar distance, which makes it possible to precisely control the temperature regime and ensure reduced energy consumption with a significant increase in specific melt volume productivity. There is also no need to weight the anode melt with copper. The availability of a mirror of the electrolyte melt allows, if necessary, to supplement, control and adjust its composition.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отличается от известного назначением диафрагмы для создания емкости с электролитом в расплаве анодного металла, в то время как в прототипе диафрагма заполняется анодным металлом и загружается в электролит. Помимо этого, катод расположен вертикально, что позволяет увеличить удельную производительность при снижении тепловых потерь, осуществлять точную регулировку МПР, обеспечить легкий доступ к электролиту с целью его контроля, корректировки и пополнения, а также сделать катод легко заменяемым элементом при обслуживании установки. A comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the proposed method differs from the known one in the purpose of the diaphragm to create a container with electrolyte in the molten anode metal, while in the prototype the diaphragm is filled with anode metal and loaded into the electrolyte. In addition, the cathode is located vertically, which allows increasing specific productivity while reducing heat losses, accurately adjusting the MPR, providing easy access to the electrolyte for the purpose of monitoring, adjusting and replenishing it, and also making the cathode an easily replaceable element when servicing the installation.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Пример 1. В предварительно расплавленный анодный алюминий (8) погружается съемная пористая диафрагма (6), закрепленная посредством крепления (10) на устройстве для рафинирования и заполненная хлоридно-фторидным или фторидным сухим электролитом (7), с плотностью в расплавленном состоянии большей, чем плотность катодного алюминия (5), в диапазоне 3,3÷3,6 г/см3, за счет чего происходит подъем катодного алюминия (5) на поверхность расплава. После плавления электролита в съемную пористую диафрагму (6) помещается вертикальный катод с токоподводом (4) и дренажными каналами на уровне зеркала расплава электролита, а в анодный алюминий опускается анодный токоподвод (9) и включается постоянный ток. Процесс рафинирования ведут с катодной плотностью тока в диапазоне от 0,5 до 21 А/см2, обеспечивающей выделение катодного алюминия (5), и диапазоне температур от 780 до 920 ⁰С. Очищенный сплав при помощи устройства аккумулирования и эвакуации (11) со сборным резервуаром катодного алюминия удаляется из рабочей зоны диафрагмы по дренажному каналу (13), выполненному в вертикальном катоде (4) в периодическом режиме. Удаление интерметаллидов в очищаемом алюминии или его сплаве осуществляется периодически с использованием ручного инструмента, при помощи которого твердые соединения по мере их накопления механически отделяются и удаляются из емкости с анодным металлом. По мере расходования в емкость с анодным алюминием (9) через крышку доливается или загружается свежая порция анодного сплава. Example 1. A removable porous diaphragm (6) is immersed in the pre-molten anode aluminum (8), fixed by means of a fastening (10) on the refining device and filled with a chloride-fluoride or fluoride dry electrolyte (7), with a density in the molten state greater than the density of cathode aluminum (5), in the range of 3.3÷3.6 g/cm3, due to which the cathode aluminum (5) rises to the surface of the melt. After melting the electrolyte, a vertical cathode with a current supply (4) and drainage channels at the level of the electrolyte melt mirror is placed in a removable porous diaphragm (6), and the anode current supply (9) is lowered into the anode aluminum and the direct current is turned on. The refining process is carried out with a cathode current density in the range from 0.5 to 21 A/cm2, ensuring the release of cathode aluminum (5), and temperature range from 780 to 920 ⁰С. The purified alloy, using an accumulation and evacuation device (11) with a collecting tank of cathode aluminum, is removed from the working area of the diaphragm through a drainage channel (13) made in the vertical cathode (4) in periodic mode. Removal of intermetallic compounds in the purified aluminum or its alloy is carried out periodically using hand tools, with the help of which solid compounds, as they accumulate, are mechanically separated and removed from the container with the anode metal. As it is consumed, a fresh portion of the anode alloy is added or loaded into the container with anode aluminum (9) through the lid.
В качестве электролитов могут быть использованы следующие солевые системы:The following salt systems can be used as electrolytes:
- NaF-AlF3, К.О.=1,0÷1,8;- NaF-AlF 3 , K.O.=1.0÷1.8;
- 5÷30 %мас. NaCl-NaF-AlF3, К.О. =1,0÷2,8;- 5÷30% wt. NaCl-NaF-AlF 3, K.O. =1.0÷2.8;
- 15÷45 %мас. BaF2-NaF-AlF3, К.О. =1,0÷2,8;- 15÷45% wt. BaF 2 -NaF-AlF3 , K.O. =1.0÷2.8;
- 35÷60 %мас. BaCl2-NaF-AlF3, К.О. =1,0÷2,8.- 35÷60% wt. BaCl 2 -NaF-AlF3 , K.O. =1.0÷2.8.
Уровень электролита поддерживается постоянным и при необходимости производится подливка или загрузка свежей порции солевой смеси. Из диафрагмы также может быть отобрана порция электролита для проведения физико-химических анализов его состава и определения необходимости корректировки по отдельным компонентам. Температура электролиза зависит от выбора конкретной солевой системы и лежит в диапазоне от 780 до 920 ⁰С. Катодная плотность тока также зависит от выбора электролита и лежит в диапазоне от 0,5 до 21 А/см2.The electrolyte level is maintained constant and, if necessary, a fresh portion of the salt mixture is added or loaded. A portion of the electrolyte can also be taken from the diaphragm to conduct physicochemical analyzes of its composition and determine the need for adjustments for individual components. The electrolysis temperature depends on the choice of a specific salt system and ranges from 780 to 920 ⁰C. The cathode current density also depends on the choice of electrolyte and ranges from 0.5 to 21 A/cm 2 .
В качестве материала диафрагмы могут выступать:The diaphragm material can be:
- оксидная керамика;- oxide ceramics;
- углеродные материалы;- carbon materials;
- неорганические волокнистые материалы.- inorganic fibrous materials.
Заявленное техническое решение можно реализовать в промышленном производстве и очистке алюминия или его сплавов. The claimed technical solution can be implemented in the industrial production and purification of aluminum or its alloys.
Пример 2. В предварительно расплавленный анодный алюминий (8) погружается две съемные пористые диафрагмы (6), закрепленные посредством крепления (10) на устройстве для рафинирования и заполненные хлоридно-фторидным или фторидным сухим электролитом (7), с плотностью в расплавленном состоянии в диапазоне 1,6÷2,2 г/см3, за счет чего происходит опускание образующегося катодного алюминия (5) на дно диафрагмы. После плавления электролита в съемную пористую диафрагму (6) помещается вертикальный катод с токоподводом (4) и дренажными каналами в донной части катода, а в анодный алюминий опускается анодный токоподвод (9) и включается постоянный ток. Процесс рафинирования ведут с катодной плотностью тока в диапазоне от 0,5 до 21 А/см2 и диапазоне температур от 780 до 920 ⁰С. Очищенный сплав при помощи устройства эвакуации алюминия со сборным резервуаром катодного алюминия (11) удаляется из рабочей зоны диафрагмы по дренажному каналу (13) в периодическом режиме. Удаление интерметаллидов в очищаемом алюминии или его сплаве осуществляется периодически с использованием ручного инструмента, при помощи которого твердые соединения по мере их накопления механически отделяются и удаляются из емкости с анодным металлом. По мере расходования в емкость с анодным алюминием (9) через крышку доливается или загружается свежая порция анодного сплава. Example 2. Two removable porous diaphragms (6) are immersed in pre-molten anode aluminum (8), fixed by means of fastening (10) on a refining device and filled with chloride-fluoride or fluoride dry electrolyte (7), with a density in the molten state in the range 1.6÷2.2 g/cm 3 , due to which the resulting cathode aluminum (5) is lowered to the bottom of the diaphragm. After melting the electrolyte, a vertical cathode with a current lead (4) and drainage channels in the bottom part of the cathode is placed in a removable porous diaphragm (6), and the anode current lead (9) is lowered into the anode aluminum and the direct current is turned on. The refining process is carried out with a cathode current density in the range from 0.5 to 21 A/cm 2 and a temperature range from 780 to 920 ⁰C. The purified alloy, using an aluminum evacuation device with a collecting tank of cathode aluminum (11), is removed from the working area of the diaphragm through the drainage channel (13) in periodic mode. Removal of intermetallic compounds in the purified aluminum or its alloy is carried out periodically using hand tools, with the help of which solid compounds, as they accumulate, are mechanically separated and removed from the container with the anode metal. As it is consumed, a fresh portion of the anode alloy is added or loaded into the container with anode aluminum (9) through the lid.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2024/050041 WO2024177534A1 (en) | 2023-02-20 | 2024-02-16 | Method and device for electrorefining aluminium in electrolysis cells (embodiments) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2809349C1 true RU2809349C1 (en) | 2023-12-11 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU528355A1 (en) * | 1974-11-20 | 1976-09-15 | Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт алюминиевой, магниевой и электродной промышленности | Electrolyzer for producing or refining metals |
| US4115215A (en) * | 1976-09-22 | 1978-09-19 | Aluminum Company Of America | Aluminum purification |
| RU2055943C1 (en) * | 1993-08-06 | 1996-03-10 | Александр Яковлевич Гохштейн | Process of production of aluminium by electrolysis of cryolite-alumina melt and electrolyzer for its implementation |
| US6485628B1 (en) * | 1998-02-11 | 2002-11-26 | Northwest Aluminum Technology | Bath for electrolytic reduction of alumina and method therefor |
| EP1392890A4 (en) * | 2001-04-10 | 2004-10-06 | Bhp Billiton Innovation Pty | Electrolytic reduction of metal oxides |
| US7144483B2 (en) * | 2001-02-23 | 2006-12-05 | Norsk Hydro Asa | Method and an electrowinning cell for production of metal |
| RU2558316C2 (en) * | 2013-03-20 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Легкие металлы" | Method and device for aluminium affinage |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU528355A1 (en) * | 1974-11-20 | 1976-09-15 | Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт алюминиевой, магниевой и электродной промышленности | Electrolyzer for producing or refining metals |
| US4115215A (en) * | 1976-09-22 | 1978-09-19 | Aluminum Company Of America | Aluminum purification |
| RU2055943C1 (en) * | 1993-08-06 | 1996-03-10 | Александр Яковлевич Гохштейн | Process of production of aluminium by electrolysis of cryolite-alumina melt and electrolyzer for its implementation |
| US6485628B1 (en) * | 1998-02-11 | 2002-11-26 | Northwest Aluminum Technology | Bath for electrolytic reduction of alumina and method therefor |
| US7144483B2 (en) * | 2001-02-23 | 2006-12-05 | Norsk Hydro Asa | Method and an electrowinning cell for production of metal |
| EP1392890A4 (en) * | 2001-04-10 | 2004-10-06 | Bhp Billiton Innovation Pty | Electrolytic reduction of metal oxides |
| RU2558316C2 (en) * | 2013-03-20 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Легкие металлы" | Method and device for aluminium affinage |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11001931B2 (en) | Systems and methods for purifying aluminum | |
| AU2004221441B2 (en) | Electrolytic cell for production of aluminum from alumina | |
| EP1364077B1 (en) | A method and an electrowinning cell for production of metal | |
| AU2002236366A1 (en) | A method and an electrowinning cell for production of metal | |
| KR880000707B1 (en) | Electrolytic reduction cell | |
| US6811676B2 (en) | Electrolytic cell for production of aluminum from alumina | |
| JPS6117914B2 (en) | ||
| Takenaka et al. | The new concept for electrowinning process of liquid titanium metal in molten salt | |
| US4552637A (en) | Cell for the refining of aluminium | |
| US3677926A (en) | Cell for electrolytic refining of metals | |
| RU2809349C1 (en) | Device for electrochemical refining of aluminium in electrolysers (variants) | |
| RU2558316C2 (en) | Method and device for aluminium affinage | |
| RU2689475C1 (en) | Device for production of high-purity aluminum with carbon-free anodes by electrolysis and method of its implementation | |
| US6436272B1 (en) | Low temperature aluminum reduction cell using hollow cathode | |
| WO2024177534A1 (en) | Method and device for electrorefining aluminium in electrolysis cells (embodiments) | |
| WO2003078032A1 (en) | Electrolytic cell for producing aluminum employing planar anodes | |
| US4601804A (en) | Cell for electrolytic purification of aluminum | |
| US5720868A (en) | Method for producing electrolytic-pot-cell grade alumina from aluminum sulphate | |
| US20240175161A1 (en) | Systems and methods for purifying aluminum | |
| RU2509830C1 (en) | Electrolytic cell for production of aluminium | |
| Hunt | A New Electrolytic Cell for Magnesium and Chlorine Production |