SU996519A1 - Бипол рный электролизер дл получени алюмини - Google Patents

Description

(54) БИПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ .АЛЮМИНИЯ

,

Изобретение относитс  к электролйт ческому полученшо лепсих металлов, в частности.алк 1ини  электролизом рао- . плавов галогенидов.

Известен бипол рный электролизер, имеющий камеру дл  обслуживани , отделенную разделительной перегородкой от рабочих  чеек с бипол рными электродами, В камере имеютс  BejpKHiie и нижние каналы сообщени  рабочего отделени  с  чейками дл  обслуживайи  1.

Известен электролизер, в котором нерабочие поверхности бипол рных электродов noKjHJTbi огнеупорными изолируюм щими материал ами 2.

Известен также электролизер с гор зонтальным расположением биполей и футеровкой из нитридов и оксвнитрвдрв металла, стекл нной изол цией вместе с обычными огнеупорами

Общие недостатки всех указанных вы-. ше бипол рных электролизеров следуюоше. Применение керамики дл  футеровки апек- тролизера и изол ции боковых граней бвполей , котора  пропитываетс  электролв том, металлизируетс  и взаимодействует с электролите. Кроме того, футеровка, выполненна  из окислов, смеси окислов с нитридами, из стекла частично раствор етс  в галогенидах щелочных металлов и алюмини . Это приводит к преждевр менному разрушению футеровки и анода, а также к загр зненто получаемого металла.- Сложность внутреннего устрой10 ства электролизера за счет футеровки, необходимости устройства рабочей камеры и камеры обслуживанн , устройства каналов дл  сбора металла, экранировки боковых нерабочих граней электродов огне

fs упорной кладкой, необходимости устройнства каналов дл  циркул ции. Все его приводит к увеличевню трудозатрат ва устройство футеровки, повышенному расходу огнеупоров и солей (которые впиты20 ваютс  в футеровку) в сввжеввю срока служ алектропизеров, т.е. к аасскт/м материальным в трудовым затратам на осуществпев е процесса.

Наиболее близким к изобретению техничесжим решением  вл етс  бипол рный электролизер дл  получени  легких металлов . Электролизер выполнен в виде пр моугольной футерованной ванны, в которой размещены однопол рный анод, катод и бипол рные электроды. Однопс   рные анод, катод установлены вертикально в торпах ванны, а вертикальные електроды-бкполи равномерно размещены но ее длине. Поверхность катодных чаотей биполей в 1,5-2 раза меньше поверхности анодных частей бкполей. Часть поверхности катод.ных частей биполей изолирована огне5гпорным кирпичом. Поверхности катодных частей биполей выполнены со скосами по направлению к их анодным част м 143Основным недостатком данного электролизера  вл етс  устройство футеровки №3 огнеупорного кирпича дл  изол ции стенок электролизера и части поверхност катодных частей бипол  Устройство специального сборника или сборной  чейки усложн ет конструкцию электролизера, снижает надежность работы агрегата. Применение футеровки из огнеупорного кирпича приводит к растворению окислов в электролите, образованию шлама в электролизере, потер м металла, снижешпо его качества и усложнению работы электролизера. При пропитывании футеровки происход т потери электролита и дл  увеличени  ее изол ционной способности необходимо делать-более толстую футеровку.

Цель изобретени  - упрощение конструкции электролизера, улучшение качества металла и снижение эксплуатационных зат|мт на его получение.

Поставленна  цель достигаетс  в бин пол рном электролизере дл  получени  алюмини , содержащем охлаждаемый с крышкой, группу вертикальных электродов, включающую однопол рные анод и катод и равномерно распределенные между НИМИ биполи, который содержит две грушш электродов, установленных так, что аноды обеих rpyim наход тс  в центре электролизера, а катоды - в его торцах, причем все вертикальные электроды подвешены ш таол ционных вставках, установленных выше уровн  гарнисажа.

В таком электролизере футеровка выполнена из твердого электролита.

Кроме того, водоохлаждаема  крышка электролизера выполнена с отверсти ми над межанодным пространством.

На фиг. 1 показан б1шол рный электролизер , продольный разрез; т фиг. 2то же, вид сверху, со сн той крышкой; на фиг. 3 - график изменени  толщины сло  гарнисажа от температур стенки.

Электролизер представл ет собой пр моугольный металлический охлаждаемый снаружи кожух Сфиг.1),в котором установлены группы электроцов.кажда  из груш состоит из анода 2, катода 3 и одного или нескольких биполей 4. Обе группы расположены так, что аноды 2 расположены р дом, в центре электрол зера , а катоды 3 - по противоположным торцам. Все электроды расположены так, что между боковыми стенк/ами электролизера и нера;бочими боковыми гран ми электродов находитс  зазор, котора 1й в рабочем состо нии заполнен твердым электролитом - гарнисажем 5. Гарнисажем покрыты дно и торцовые стенки электролизера . Изол ци  биполей осуществл етс  за счет того, что их боковые стенки вмораживаютс  в гарнисажнуЮ футеровку электролизера, котора  формируетс  из рабочего электролита во врем  его наплавлени . Нижние торцы электродов не достигают до дна электролизера, где образуетс  камера 6, дл  сбора металла, стекающего с вертикальных катодов. Раосто ние от торцов электродов до зеркала металла должно быть значительно больше, чем суммарна  величина межполюсных зазоров между электродами в одной группе . На подине электролизера возможна установка теплоизол ции из одного - двух слоев стекла, сло  шамотного кирпича и сло  силицированного графита, общей толщиной 40-50 мм.

Claims (4)

1. Перед пуском электролизера однопол 1 ные электроды устанавливаютс  на специальных токоподводах 7, введенных сквозь стенки электролизера и отдельных от них за счет изол ции из талькохлорита 8 и фторопласта 9. Бипол рные электроды под вешиваютс  на специальных изол ционных вставках из керамики или стекла 10. .Один конец таких вставок входит в углубление в аноде, а другой - опираетс  на выступ кожуха. Изол ционные вставки между однопол ршыми влект родами и стальными стенками электролизера равны по длине выступающим го биполей изол ционным вставкам, чтобы рассто ние от стенки до всех электродов было одинаковым . Оно должно быть в пределах 2-15 см в заввсвмости от. состава и размеров электролизеров. В стенке эпектропизера с наружной стороны делают продольный паэ 11, которь1й закрывают сверху тонким стальны листом. В этот паз устанавливаетс  тер мопара, котора  показывает температуру теплоотдающего листа. Токрподводы к однопол рным электролизерам к изол то ры к бипол м устанавливают на 5-25см выше уровн , расплава, покрывающего слой металла 12. В водбохлаждаемой крышке 13 электролизера вдоль поп&речной оси предусмотрены отверсти  14 дл  загрузки хлористого алюмини , выливки металла, установки термопар и других целей (не менее 3-х). Они Haxt д тс  над пространством между двум  анодами. Злектролизер работает следующим об разом. В металлический водоохлаждаемый электролизер с воздушной прослойкой (фиг. 1 и 2) устанавливают 2 группы электродов, заливают электролит, вклк чают вод ное охлаждение и выдерживают 3-5 мин пока у стенок образуетс  гарнисаж , заполн ющий пространство между металлическими стенками и боковыми гран ми электродов. После образовани   чеек электролизер закрывают крышкой, включают устройство подачи хлористого алюмини  и подают посто нный ток. Ток подвод т к двум па раллельно включенным анодам в центре электролизера и от них через электролит и биполи он расходитс  к торцовым като дам и далее на следующий электролизер. . Таким образом получаетс  как бы два электролизера, соединенных по торцам в общем кожухе. В момент прохождени  тока в каждой  чейке на анодных сторон биполей и на однопол рном аноде выдел  етс  хлор, а на катоде и катодных сторонах биполей - металл. Хлор прднимае1 с  вверх, увлека  электролит и перемешива  его, а металл стекает вниз и накапливаетс  в копильника электролизера ниже электродов. Восход щие потоки анодных газов заставл ют электролит двигатьс  от торцов к середине, где иде загрузка хлористого алюмини   вл 1о. щегос  расходуемым материалов. Электролит обогащаетс  и как более т желый растекаетс  по дну электродазера , далее подхва 1е нный потоком .вобход щих струй электролита перау«ешвваетс  с остальным расплавом. Два однополюсных электрода в пентре электролизера создают наиболее благопри тные условий дл  поддержани  электролита в жидком состо нии и облегчени  операции по обслуживанию электролизера. По достижении определенного технологией количегства металла на подиие электролизера , он с помощью вакуум-ковша через отверстие 14 в крышке 13 удал етс  из электролизера. Хлор по мере образовани  по закрытому трубопроводу эвакуируетс  из электролизера. Температура стенки электролизера  вл етс  указателем толщины гарнисазка. .Согласно технологическим расчетам имеетс  одно.значна  и весьма сильна  св зь между толщиной га рнисажа и температурой металлической стенки, отдел ющей гарнисаж от воздушной прослойки (А ( , t -Ьцоды позвол ет использовать температуру -Ь как показатель дл  оценки и регулировани  пристеночного сло  затвердевшего электролита (фиг. 3). Так при температуре электролита 72О°С и толщине гарнисажа 8О мм температура теплоотдающего листа на границе с воз душной прослойкой равна . Повыше ние рабочей температуры на првн водит к повышению температуры теплоотдающего листа до и сниженное толщины гарнисажа до 50 мм. Чтобы определить нeoбxoди yю толщину гарнисажа , зазор между электродами и металлической стенкой выбирают в соответствии с фиг. 3 и подвешивают однопол рные электроды на специальных водоохлаждаемых токоподводах. Бипол рные электр1 ды подвешены на изол торах, имеющих длину равную зазору, определенному по фиг. 3. Во избежание разрушени  токоподводов и изол торов электролитом их устанавливают на 5-25 см выше уровн  расплава. Эта величина диктуетс  кол&бани ми уровн  металла 12 на подине, а вместе с ним и верхней границы электролита в период между двум  выливками металла вз электролизера. Пример 1.В электролизере ла бораторного типа из нepikaвeющeй стали с водоохлаждаемыми стенками устанавливают три электрода из гpaфиta. Электролизер имеет пр моугольную форму с размерами 160i 12О 18О. Крайние элек.троды (однопол рные) подключаютс  к сети посто нного тока, средний -, бипол рный - не подключен. В процессе наплавлени  электролита образовываетс  бортовой гарнвсаж у водоохоюждаемых стенок в дна электролвзера.Толшина гарнвсажа колеблетс  от 1,5 до Зсм.Боковые грани б1шол рного электрода вмерзают в гарвг саж и образовываютс  две  чейки, одна сторона бипоп  анодом в одной  чейке,а друга  - катодом второй  чейки. Под биполем  чейки соедин ютс  между собой через расплав. Площадь анодной стороны бипол  равна 163 см, катодной - 80,.см отношение площадей 2:1. Ток проходит от анода через расплав на катодную часть .бипол рного электрода, затем через электрод на анодную часть бипол рного электрода снова через электролит на катод. Металл с катода и катодной стороны бипол рного электрода собираетс  на дне электролизера. Вследствие ограниченного размера пространства под электродами Hacjb тока огибает биполь и проходит через металл, он  вл етс  как бы вторым биполем. При этом часть металла раствор етс . В промышленном электролизере рассто ние от концов электродов должно быть значительно больше рассто ни  между электродами. В качестве электролита берут смесь солей, мас,%: NoCS 80; ЫаР8,9; ABCEj ЮД. Расходуемым компонентом  вл етс  количестве 5-15 мас.% расплавленного электролита , кот загружают порци ми по 100 г через каждые 1О мин, чтобы поддерживать такую концентрацию. На электролизере поддерживаетс  сила тока 200 А, напр жение 12,5-13 В. Про пускаетс  55О Л/ч температура процеоса 720-750С. Получаетс  16О т алюмини  или 43% от теоретического при работе двух последовательно соединенных  чеек. Качество металла следующее (% примесей по массе):Fe 0,21; Си 0,007О ,013; Si 0,15-0,25, т.е. алкыиний марок А-5, А-7. Пример
2. 2. Расположение и ра меры и услови  аналогична предыдущему. Соотношени  площадей катодной и анодной стороны бипол рного электрода 2,3:1. Температура электролита , рассто ние между электродами 23 мм. Пропускаетс  293 А/ч при средней силе тока 2ОО А. Напр жение на электролизере 10,5-12,5 В. Получаетс  10О г алкмини  или 51,5% от теоретического колен чества из расчета последовательной ра ,боты двух  чеек. Примерз. Герметичный стальной электролизер (фиг. 1 и 2), имеющий внутренние размерил 730- 360 «720 мм вод ное охлаждение, воздушную рубашку, 2 катода, установленные по торцам, 2 анода, расположенные в центре н по 2 бипол  между катодами и анодами. Раосто в ие от боковых граней электродов до стальной стенки составл ет 22-25 мм Аноды подвешены каждый на 2-х соосно расположенных охлаждаемых токоподводах а катод на одном, введенном с торца. Рассто ние между соседними электродами составл ет 14-16 мм. Бипол рные электроды поддерживаютс  на фарфоровых вставках, одним концом вход щих в углуби лени  в электроде, а вторым опирающихс  на заплечики, приваренные к кожуху. В нижней части электролизера находилс  копильник металла. В боковых торцовых стенках и днише металла установливаютс  термопары. Через отверсти  в водоохлаждаемой крышке электролизера опускаетс  TefMonapa в расплав электролита . Во врем  наплавлени  электролита на днище и стенках электролизера образовываетс  гарнисаж из твердого непровод щего ток электролита, толщина гарнисажа зависит от температуры расплава. Состав расплава следующий, вес.%: ЫаССЗО; AtCC 9,0; MaF 11. При нагрузке на электролизер 10ОО А (переменного тока) температура расплава , толщина гарнисажа 40 мм, температура теплоотдающего листа (средн  ), С: боковых , стенок 410, торца 405, днища 350. Пробо  гарнисажа во врем  работы в твчение суток не обнаружено. Электролиз не проводитс , так как в данном опыте ис- спедуют услови  формировани  и удержани  гарнисажа. Применение герметичного гарнисажного бипол рного электролизера позвол ет отказатьс  от керамической футеровки стенок электролизера, снижает содержание окислов в электролите, улучшает качество металла, снижает возможность окислени  электродов и удлин ет их срок службы . Применение электродов с подводом тока выше уровн  электролита по водоохлаждаемым токоподводам предохран ет узел подвода тока от воздействи  электролита и снижает сопротивление электродов . Так в хол1эстом опыте при силе тока 900 А падение напр жени  в токоподводах составл ет менее 2-х В, а при наплавленном электролите - 8 В. Ис пользование термопары в стенке электролизера позвол ет посто нно контролировать толщину гарнисажа, а возможно и автоматизировать этот процесс за счет изменени  количества охлаждаемой воды или регулировани  силы тока. Расположение 2-х групп электродов в одном корпусе и параллельна  установка двух анодов в центре электролизера создают лучшие возможности ап  обслуживани  элекгропизера (загрузки и растворени  АЕС выпивки металла, замера уровн  металла, электролита, измерени  температуры ) . Формула изобретени  1. Бипол рный электролизер дл  получени  алвдмини , содержащий охлаз даемый корпус с крышкой, группу вертикал ных электродов, включающую однопол рные анод и катод и равномерно распределенные между ними биполи, отличающийс  тем, что, с целью упр щени  конструкции, по№1шени  качества получаемого металла и снижени  матери альных и трудовых затрат на обслуживание , он содержит две группы электродов установленных так, что аноды обеих гру расположены в центре э лектролизера, а катоды - в его торцах, причем все ве{ тикальные электроды подвешены на «Д|

   д рПГ|| II и и II и 1 в II

   ps191 .0 л шгонных вставках, установленных выше уровн  гарнисажа. 2. Электролизер-по п. 1,от л и ч аю ш и и с   тем, что футеровка электролизера №шолнена из твердого электролита . 3. Электролизер по пп. 1 и 2, отличающийс  тем, что, с целью обеспечени  удобства обслуживани , водоохлаждаема  крышка электролизера выполнена с отверсти ми над межанодным пространством. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство № 6О5864, кл. С 25 С 3/О8,. 1976. . 2. Авторское свидетельство СССР № 623908, кл. С 25 С 3/08, 1977.
3. 3. Патент США № 3785941, кл. 2О4-67, 1974.
4. 4. Авторское свидетельство СССР № 594213, кл. С 25 С 3/О8, 7/ОО, 1975.