способ контроля состава электролита алюминиевого электролизера и щуп

Формула изобретения

1. Способ контроля состава электролита алюминиевого электролизера, включающий погружение щупа с электропроводными зондами в расплавленный электролит и оценку состава электролита по разности потенциалов между зондами, отличающийся тем, что щуп попеременно охлаждают и нагревают, причем охлаждение производят до полного отверждения электролита на границе со щупом.

2. Щуп алюминиевого электролизера, содержащий электропроводные зонды, один из которых является электродом сравнения, отличающийся тем, что он снабжен нагревателем, стаканом из изолирующей керамики с отверстием в дне и с пакетом вставленных в стаканах трех или более стержней, состоящих из провода и керамической изоляции, причем электрод сравнения выполнен в виде сосуда, который установлен на дне стакана, частично заполнен жидким алюминием и закрыт концом одного из стержней, в качестве второго зонда использован торец провода другого стержня с возможностью электроосаждения на этом торце слоя жидкого алюминия, а третий стержень снабжен термопарой.

3. Шуп по п.2, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде электропроводного керамического покрытия на наружной поверхности боковой стенки стакана.

4. Щуп по п.2, отличающийся тем, что сосуд электрода сравнения выполнен с боковыми вертикальными ребрами и вместе с закрывающим его стержнем расположен в центральной части стакана, а остальные стержни расположены между центральными стержнем и боковой стенкой стакана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при электролитическом получении алюминия из криолито-глиноземистого расплава.

Известны способы контроля электролита путем измерения его сопротивления в пространстве между анодом и катодом алюминиевого электролизера.

Известен также способ контроля электролита алюминиевого электролизера, включающий погружение щупа с электропроводным зондом в расплавленный электролит и регистрацию электрического сигнала потенциала зонда относительно электрода сравнения. Используемый для этого щуп содержит электропроводный зонд из твердого электролита, обратимого по анионам кислорода, и электрод сравнения из вольфрама в виде металлического покрытия. Оценку концентрации глинозема производят с учетом ее термодинамической связи с потенциалом. Постоянный контакт щупа с расплавом сокращает срок службы щупа из-за коррозии материалов в расплавленном криолите, особенно интенсивной у металлов и оксидной керамики. Кроме того, изменение состояния поверхностей твердого зонда и твердого электрода сравнения вносит неопределенность в регистрируемый сигнал.

Предлагаемый способ контроля электролита алюминиевого электролизера включает погружение щупа, снабженного электропроводным зондом, в расплавленный электролит и регистрацию электрического сигнала. От известного способа он отличается тем, что щуп попеременно охлаждают и нагревают, причем охлаждение производят до полного отверждения электролита на границе с щупом.

Предлагаемый щуп алюминиевого электролизера содержит электропроводный зонд и электрод сравнения. От известного щупа он отличается тем, что включает нагреватель, стакан из изолирующей керамики с отверстием в дне и с пакетом вставленных в стакан трех или более стержней, состоящих из привода и керамической изоляции, электрод сравнения выполнен в виде сосуда, который установлен на дне стакана, частично заполнен жидким алюминием и закрыт концом одного из стержней, в качестве зонда использован торец провода другого стержня с возможностью электроосаждения на этом торце слоя жидкого алюминия, а третий стержень использован в качестве термопары.

Нагреватель выполнен в виде электропроводного керамического покрытия на наружной поверхности боковой стенки стакана. Сосуд электрода сравнения имеет снаружи боковые вертикальные ребра и вместе с закрывающим его стержнем расположен в центральной части стакана, а остальные стержни расположены между центральным стержнем и боковой стенкой стакана. В боковой стенке стакана выполнено отверстие. Холодный конец щупа снабжен съемным средством теплообмена теплоизолятором либо радиатором, которые могут быть совмещены с внешним нагревателем.

Периодическое отверждение электролита на границе с щупом позволяет остановить процесс коррозии в паузах между контрольными замерами, что существенно увеличивает срок службы щупа. Чередование охлаждения и нагрева щупа осуществимо благодаря генератору переменного теплового потока в виде погруженного в электролит электропроводного керамического покрытия с возможностью прохождения тока обогрева вдоль щупа. Для регулировки теплового режима щупа служит внешний нагреватель, установленный на холодном конце щупа вне электролита. Расположение сосуда электрода сравнения в центральной части стакана и упор в него боковых стержней упрощает монтаж и демонтаж щупа. Pебра сосуда электрода сравнения обеспечивают возможность протока контролируемого электролита через стакан в периоды пребывания электролита, граничащего с щупом, в расплавленном состоянии.

Электроосаждение жидкого алюминия на торце изолированного с боков провода позволяет получить зонд в виде капельного электрода, поверхность которого допускает обновление путем дальнейшего электроосаждения с увеличением диаметра капли либо путем электрорастворения с уменьшением диаметра капли. Обновление поверхности зонда перед каждым контрольным замером его потенциала обеспечивает воспроизводимость результатов контроля независимо от размера капли жидкого алюминия.

Расположение в стакане щупа нескольких одинаковых зондов расширяет функциональные возможности щупа, так как позволяет измерять удельное сопротивление электролита путем пропускания переменного тока между зондами. При этом становятся возможными контроль состояния поверхности зонда до электроосаждения и определение диаметра капли жидкого алюминия при ее отрыве.

На фиг.1 показан щуп алюминиевого электролизера, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 вид В на фиг.3; на фиг.5 зонд щупа, разрез; на фиг.6 вариант зонда.

Щуп алюминиевого электролизера содержит электропроводный зонд 1 и электрод сравнения 2, внешний нагреватель 3, стакан 4 из изолирующей керамики с отверстием 5 в дне 6 и с пакетом 7 вставленных в стакан стержней 8 14, которые состоят из вольфрамового провода 15 и керамической изоляции 16. Электрод сравнения выполнен в виде сосуда 17, который установлен на дне стакана и частично заполнен слоем 18 жидкого алюминия, поверх которого залит слой 19 эталонного электролита с избытком глинозема либо с фиксированной концентрацией глинозема 14,8 мас. в криолите, что соответствует эвтектике в системе криолит глинозем с температурой плавления 937^оС. В качестве изолирующей керамики указанных деталей применены нитриды кремния, бора либо алюминия.

Центральный стержень 8 имеет расширение с резьбой 20, которой он ввинчен в сосуд 17 до упора провода 21 в дно сосуда 17. Следы электролита в зазорах резьбы 20 обеспечивают электрический контакт эталонного электролита 19 с исследуемым электролитом 22, который через отверстия 23 сообщается с электролитом 24 алюминиевого электролизера. В качестве зонда использован торец 25 провода 26 стержня 9. Торец 25 экранирован изоляцией 27. Путем электроосаждения на торце 25 провода образован слой жидкого алюминия в форме капли 28 (см. фиг.1, 5). На торец провода 29 другого стержня 11 предварительно нанесен слой 30 диборида титана, на котором также осажден слой 31 жидкого алюминия (см. фиг.6).

Стержни 10 и 13 использованы в качестве термопар. Каждый из них имеет U-образный канал с выводами 32, 33 термопары. Щуп снабжен дополнительным нагревателем 34, который выполнен в виде электропроводного керамического покрытия 35 на наружной поверхности изолирующей стенки 36 стакана 4. Покрытие имеет две ветви 37 и 38, разделенные изолирующим барьером 39 на боковой поверхности стакана, и среднюю часть 40, соединяющую эти ветви в области дна 6 стакана. Покрытие выполнено из карбида кремния.

Сосуд 17 электрода сравнения снабжен шестью боковыми вертикальными ребрами 41, центрирующими сосуд в стакане 4. Зазоры 42 между ребрами соединяют нижнее отверстие 5 стакана с боковыми отверстиями 23, что обеспечивает циркуляцию электролита в стакане. Внешний нагреватель 3 содержит нагревательную спираль 43 в изолирующей матрице 44 из огнеупорного цемента и стальной бандаж 45. Стакан 4 заделан в корку затвердевшего электролита, которая при охлаждении стакана наползает на него в виде наростов 46, закрывающих при этом отверстия 23 и постепенно распространяющихся на всю поверхность стакана.

Детали щупа имеют следующие размеры: диаметр стакана 4 40-50 мм; высота стакана (длина щупа) 300 500 мм; диаметр провода 26 (диаметр зонда) 1 2 мм, толщина слоя 30 диборида титана 0,1 1 мм, толщина электропроводного покрытия 35 3 5 мм.

При установке щупа в электролизер стакан 4 углубляют в корку электролита приблизительно на первоначальную глубину корки, чтобы обеспечить полное закрытие щупа твердым электролитом в исходном состоянии. При этом температура дна 6 стакана ниже температуры плавления электролита, например 915^оС, при температуре плавления 920^оС.

Для нагрева щупа ветви 37, 38 покрытия 35 подключают к источнику тока обогрева (не показан). Переменный ток для нагрева предпочтителен, так как предотвращает накопление жидкого алюминия на границе покрытия 35 с электролитом. Нагрев приводит к плавлению электролита, которое начинается у дна 6. Фронт расплавленного электролита распространяется вдоль щупа, достигает боковых стержней 9 14 и отверстий 23. Наступление этой стадии плавления может быть обнаружено по спаду электрического сопротивления между стержнями (зондами) 9, 11, 12, 14.

После открытия зондов их подключают к катодной шине электролизера. При необходимости повысить ток на зонд между ним и шиной включают дополнительный источник ЭДС. На торце 25 вольфрамового провода 26 либо на слое 30 диборида осаждается жидкий алюминий. При плотности тока 1/А/см2 за 5 мин пленка достигает толщины 0,1 мм, что достаточно для измерений. Отключают ток обогрева. Определяют разность потенциалов между проводом 26 зонда и проводом 21 электрода cравнения. Сопоcтавляют ее c результатом предыдущего замера. Hапример, уменьшение концентрации глинозема c 3 до 2 маc. увеличивает региcтрируемую разноcть потенциалов на 20 мВ ( c 78 до 98 мВ при 960 ^оС).

Затем пропуcкают переменный ток между зондами с частотой 1 10 кГц и амплитудой 0,1-1 мА. На той же частоте определяют амплитуду разности потенциалов и судят по ней об удельном сопротивлении электролита, которое с уменьшением концентрации глинозема снижается (на 2% при уменьшении концентрации с 3 до 2 мас.).

После выключения тока нагрева температура щупа постепенно понижается до стационарного состояния, в котором весь соприкасающийся с щупом электролит затвердевает. Нагрев производят в среднем один раз в час. Перед повторным электроосаждением алюминия на зонд часть предыдущего слоя растворяют в анодном режиме, затем осаждают новый слой. Для получения капель жидкого алюминия продолжительность электроосаждения увеличивают. По размеру капли перед ее отрывом оценивают поверхностное натяжение на границе жидкого алюминия с расплавленным электролитом.

В паузах между контрольными замерами вдоль щупа устанавливается стационарный перепад температуры от 900 930^оС на горячем конце, обращенном в электролизер, до 200 300^оС на холодном конце, выступающем наружу. Для попеременных нагрева и охлаждения щупа кроме обогрева током или вместо него может быть использовано изменение условий теплоотвода от холодного конца в окружающую среду, например, периодическое закрытие холодного конца теплоизолирующим бандажом или колпаком, установка на холодном конце радиатора с периодически действующей теплоизоляцией.

Возможно сочетание описанного способа с непрерывным контролем сопротивления электролизера переменному току.