электролизер для получения алюминия из смеси расплавленных солей и глинозема

Формула изобретения

Электролизер для получения алюминия из смеси расплавленных солей и глинозема, включающий аноды и выполненные из алюминия и проходящие вертикально сквозь подовую футеровку катодные токоотводящие элементы, выполненные жидкими в верхней части в контакте с расплавом катодного алюминия, и твердыми в нижней части в контакте с катодной шиной, отличающийся тем, что катодные токоотводящие элементы выполнены, по крайней мере, частично в виде перевернутого усеченного конуса с отношением площади нижнего сечения к площади верхнего как 1:2 и установлены в количестве, равном или большем количества анодов, а подовая футеровка выполнена из огнеупорного неугольного материала и покрыта слоем материала, не взаимодействующего с алюминием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к электролитическому получению алюминия, а именно, к конструкции электролизера для производства алюминия.

Известен электролизер для производства алюминия, включающий угольную подину, вмонтированные в нее катодные токоотводящие элементы, полностью или частично состоящие из алюминия и контактирующие с расплавленным алюминием через выполненные в подине каналы (Патент Германии №390453, 40 с 6/04, опубл. 19.02.1924).

Недостатком этой конструкции является то, что ток, протекающий по катодным токоотводящим элементам, вмонтированным в подину, наводит сильное магнитное поле в жидком алюминии, взаимодействие вертикальной компоненты магнитного поля с горизонтальной компонентой тока в жидком металле вызывает его циркуляцию и волнообразование на границе с электролитом. Это приводит к потерям выхода алюминия по току, увеличению расхода электроэнергии и к сокращению срока службы вследствие эрозии бортовой футеровки.

Кроме того, в такой конструкции расплав проникает по границам жидкий металл-подина и вертикальных каналов в футеровке и намерзает в них вплоть до перекрытия всего сечения канала и нарушения электрического соединения с катодным токоотводящим элементом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является электролизер для получения алюминия из смеси расплавленных солей и глинозема с предварительно обожженными анодами. В электролизере составной вертикальный катод имеет стальную внешнюю трубу, прикрепленную к днищу и отстоящую вниз от него, внутренний угольный полый элемент или трубу. Катодный токоотводящий элемент в трубе состоит в нижней части трубы из стержня, выполненного из металла с хорошей электропроводностью, а в верхней части трубы из расплавленного алюминия. Данная конструкция предусматривает пропускание вертикального алюминиевого или медного стержня через подовую футеровку и полый элемент катода сверху вниз и закрепление его на упругом основании. Катодное устройство футеровано угольными блоками (Патент США №3723287, С 22 d 3/02, 3/12, опубл. 30.09 1970).

Данная конструкция позволяет исключить возникновение вертикальной компоненты магнитного поля в расплаве и, соответственно, циркуляции и волнообразования границы металла с электролитом и улучшить показатели выхода по току и расхода электроэнергии.

Однако применение в данной конструкции вертикальных металлических и угольных труб, центрального стержня внутри угольной трубы приводит к фильтрации расплава по границам между трубами и футеровкой и последующему его намерзанию вплоть до перекрытия сечения труб и их разрушения. При этом, возникают горизонтальные токи в катоде и преждевременное отключение электролизера на капитальный ремонт, что приводит к сокращению срока службы. Опора вертикальных катодов на упругое основание усложняет их конструкцию и удорожает стоимость электролизера.

Кроме того, применение в данной конструкции подины из угольных блоков сопровождается внедрением в них натрия, что приводит к неравномерному расширению и растрескиванию блоков и к раскрытию межблочных швов. Происходит преждевременное отключение электролизеров и сокращение срока их службы.

Задачей изобретения является создание конструкции электролизера, исключающей возникновение горизонтальных токов в катоде, фильтрацию расплава через подину и по границам катодный токоотводящий элемент-футеровка, внедрение в подовую футеровку щелочных металлов и обеспечивающей благодаря этому увеличение срока службы, снижение стоимости электролизера и затрат на его капитальный ремонт.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в электролизере для производства алюминия, включающем аноды и выполненные из алюминия и проходящие вертикально сквозь подовую футеровку катодные токоотводящие элементы, выполненные жидкими в верхней части, в контакте с расплавом катодного алюминия, и твердыми в нижней части в контакте с катодной шиной, в соответствии с заявляемым, катодные токоотводящие элементы выполнены, по крайней мере, частично в виде перевернутого усеченного конуса с отношением площади нижнего сечения к площади верхнего как 1:2 и установлены в количестве, равном или большем количества анодов, а подовая футеровка выполнена из неугольного материала и покрыта слоем материала, не взаимодействующего с жидким алюминием.

Выполнение катодных токоотводящих элементов в виде перевернутого усеченного конуса исключает проникновение расплава по наклонной границе футеровка-элемент и обеспечивает фиксированное положение элемента в подине без устройства специальных опор. Площадь нижнего сечения рассчитывается по величине токовой нагрузки на элемент (сила тока, поделенная на количество элементов) и допустимой для алюминия плотности тока 0,65 А/мм². Площадь верхнего сечения рассчитывается из соотношения 1:2 к площади нижнего сечения, равного соотношению удельного электросопротивления алюминия в нижней твердой части к удельному электросопротивлению в жидкой верхней части элемента. При увеличении соотношения больше 2-х токовая нагрузка в нижней части элемента может превысить допустимую плотность тока и расплавить его, что приведет к отключению электролизера. При уменьшении соотношения меньше 1-го возрастет сопротивление верхней части элемента, что приведет к дополнительным потерям электроэнергии.

Выбор количества катодных токоотводящих элементов, равного количеству анодов, обеспечивает равномерное распределение тока и исключает появление горизонтальных токов в металле. Выбор количества катодных токоотводящих элементов больше количества анодов приведет к снижению потерь электроэнергии, однако при этом увеличится стоимость и затраты на изготовление электролизера. Изготовление подовой футеровки из неугольного материала и покрытие ее слоем не взаимодействующего с алюминием материала исключает внедрение щелочного металла и фильтрацию расплава через подовую футеровку и по границам подовая футеровка - катодный алюминий и катодный токоотводящий элемент-футеровка. Применение в качестве электролита смеси расплавленных солей и глинозема с температурой плавления 660-720°С обеспечивает расположение изотермы плавления алюминиевого катодного токоотводящего элемента выше уровня днища катодного кожуха.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Электролизер для производства алюминия содержит аноды 1, катодный кожух 2, подовую футеровку 3, катодные токоотводящие элементы 4, жидкие в их верхней части, в контакте с катодным алюминием 5 и твердые в их нижней части в контакте с катодной шиной 6 и электролит 7, состоящий из смеси расплавленных солей и глинозема. Катодные токоотводящие элементы 4 выполнены из алюминия в виде перевернутого усеченного конуса с соотношением площади верхнего сечения к нижнему, как 1:2. Подовая футеровка 3 выполнена из огнеупорного бетона и покрыта слоем диборида титана 8. В качестве электролита 7 использована смесь расплавленных солей и глинозема с температурой плавления 660-720°С, например, на основе калиевого криолита.

Монтаж электролизера осуществляется следующим образом.

После сборки и установки катодного кожуха 2 с отверстиями под катодные токоотводящие элементы 4, на отверстия устанавливается обечайка из алюминиевого листа в виде усеченного конуса (воронки) высотой, равной толщине подовой футеровки 3. Подовая футеровка 3 выполняется укладкой в 4-5 слоев огнеупорного бетона. Поверхность подовой футеровки покрывается слоем диборида титана 8. После сушки и затвердевания бетона в обечайку заливается алюминий, формирующий катодные токоотводящие элементы 4, которые соединяются сваркой с катодной шиной 6. Для доведения катодного и анодного устройств до температуры эксплуатации проводится их разогрев с помощью газовой (мазутной) горелки или током серии электролиза, с выделением тепла в элементах сопротивления (графитовых цилиндрах), установленных между анодами и поверхностью катодных токоотводящих элементов. После достижения температуры эксплуатации в ванну заливают жидкий алюминий 5 и электролит 7 и включают в серию электролиза.

Предлагаемая конструкция электролизера позволяет исключить появление горизонтальных токов в катоде, фильтрацию через подовую футеровку и по границам с катодными токоотводящими элементами расплава. А также исключить внедрение щелочных металлов в подовую футеровку, что позволит увеличить срок службы электролизера на 20-30% и уменьшить стоимость электролизера и затраты на капитальный ремонт.