Электролизер для рафинирования алюминия

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з С 25 С 3/24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.(21) 4865101/02 (22) 11.09.90 (46) 15.01.93. Бюл. N 2 (71) Братский алюминиевый завод (72) Н. Н. Пендюров и В, С. Галимжанов (56) Беляев А. И. Металлургия легких металлов. М., Металлургия, 1970, с. 242-245, (54) ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к устройствам для электролитического рафинирования алюминия.

Получение алюминия высокой частоты

{АВЧ) электролитическим рафинированием по трехслойному способу основано на различие плотностей отдельных слоев расплава: нижний слой — анодный сплав алюминия с 30 — 407 меди, более электроположительной чем алюминия с плотностью около

3,0 г/см и выше; промежуточный слой — электролит из расплавленных солей с плотностью 2,7 г/см, причем наиболее распространен следующий состав ВэС!г — 55-607, обогащенный А! Рз криолит (КО 1,5-2,0) и NaCl в виде добавки (1-3";ь); верхний слой — алюминий, полученный в результате рафинирования и служащий катодом, плотность кэтодного алюминия 2,3 г/см .

В мировой практике рафинирования по трехслойному способу применяются конструкции электролизеров, отличающиеся од. 5U 1788092 Al (57) Использование: цветная металлургия, в частности устройства для электролитического рафинирования алюминия. Сущность: графитовые блоки полностью погружены в расплав, причем верхняя поверхность графитового блока расположена под верхним уровнем электролита, а нижняя — под нижним уровнем электролита. Устройство позволяет повысить качество рафинированного алюминия, снизить затраты. 1 ил. на от другой не только геометрическими размерами, но и формой рабочего пространства, характером катодного и анодного токоподводов, методами загрузки алюминия— сырца.

Так, известен электролизер для рафинирования алюминия трехслойным способом, содержащий две электропроводящие подины, служащие для подвода и отвода тока, размещенные на различных уровнях контактирующие с одним из металлических слоев и электрически изолированные одна от другой футеровкой. С точки зрения защиты катодных блоков от окисления, взаимодействие их с кислородом в данном случае полностью исключено, но этот электролизер обладает серьезными недостатками: футеровка, разделяющая обе падины, быстро выходит из строя вследствие просачивания электролита, что вызывает значительные потери электроэнергии и быстрый износ ванны; анодный сплав также может просачиваться в футеровку вызвать короткое замыкание;

1788092 снижается полезная площадь ванны, что при равном выпуске рафинированного металла приводит к увеличению стоимости сооружения ванн и занимаемой ими производственной площади.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция элект) олизера, наиболее распространенная в практике электролитического рафинирования алюминия, в которой в течение времени совершенствуются лишь отдельные элементы конструкции.

Приведенный электролизер для произ, водства АВЧ по трехслойному способу смонтирован в сварном металлическом кожухе, Подина выложена угольными блоками с залитыми в них токоподводящими сталь- ными стержнями, подключенными к анодному шинойроводу.

Шахта электролизера футерована материалом, стойким при температурах рафинирования в применяемых электролитах (например, магнезитовым кирпичом). Угольная подина и сплав алюминия с медь о служат анодом, а слой рафинированного алюминия — катодом электролизера. Токопровод к рафинировайному алюминию осуществляется графитов ыми блоками, подвешенными на алюминиевых штангах, соединяющихся с графитовыми блоками при помощй стальных ниппелей.

Графитовые блоки погружаются в слой чистого алюминия на глубину, достаточную для обеспечения хорошего электролитического контакта.

В процессе длительной эксплуатации электролизеров данного типа выработана оптимальная конструкция катодного токоподвода: графитовый (желательно, графитированный) блок с помощью чугунной залйвки соединен со стальным ниппелем (высота ниппеля 300 мм), который в свою очередь биметаллическим переходником соединен с алюминиевой штангой, вертикально подвешенной к токоподводящим шйнам, Глубина погружения блоков в катодный алюминий 40 — 70 мм при высоте блока

300 350 мм. Для предотвращения в процес-, се электролизера активного окисления кислородом воздуха графитовый блок защищен алюминиевым кожухом.

Описанный выше электролизер для рафийирования алюминия имеет ряд существенных недостатков:

1) процесс стабильно сопровождается значительным перерасходом электроэнер гии по сравнению с теоретически необходиMblM, так как снизить до необходимой величины толщину слоя электролита, являющегося телом сопротивления, не представляется возможным;

15

35

40 процесса рафинирования;

45 снижение эксплуатационных затрат за

2) получение алюминия высокой чистоты в данных злектролизерах затруднйтельно, так как процесс идет при повышенных температурах, что вызывает загрязнение рафинированного алюминия материалом футеровки, а также приводит к его повышенной окисляемости и газопоглощению;

3) ведение процесса с частичным погружением графитовых блоков в катодный металл, несмотря на наличие защитного алюминиевого кожуха, вызывает значительный расход дорогостоящих и дефицитных блоков за счет их интенсивного окисления кислородом воздуха, а также за счет разрушения блоков, вызванных значительным температурным перепадом между погруженной в расплав частью блока и частью блока, находящейся над поверхностью катодного металла;

4) в процессе работы ванны требуются частые ее обработки (чистки) для предотвращения технологических нарушений, вызванных нарастанием "шапки" электролита на катодах, увеличением бортового гарнисажа и приводящих к резкому перераспределению токовой нагрузки по катодам, вплоть до полного нарушения процесса рафинирования; также технологические нарушения увеличивают не только трудозатраты по обслуживанию электролизеров, но и приводят к потерям АВЧ. сырья, электроэнергии

5) вызывает затруднение автоматизация существующего процесса вследствие невозможности оперативного вмешательства в.процесс электролиза.

Целью изобретения является; снижение энергетических затрат на рафинирование алюминия за счет снижения рабочего напряжения и возможности оперативного его регулирования в процессе электролиза; повышение качества рафинированного алюминия за счет снижения температуры счет стабилизации процесса рафинирования, повышения межремонтного срока службы ванны, сокращения числа обработок (чисток) электролизеров

Поставленная цель достигается тем, что в электролизере для рафинирования алюминия трехслойным способом, включающем стальной футерованный кожух с токоподводящей подиной, находящейся в контакте с расплавленным слоем металлического сплава, служащего анодом и покрытого слоем электролита, над которым расположен рафинированный алюминий, выполняющий роль катода и имеющий токоподвод в виде ряда погруженных в него графитовых бло1788092 результате чего значительно снижается расход катодных блоков. 50

Защита электроизолирующей обмазки стальных ниппелей, которые при заявляемом катодном токоподводе погружены в расплав, обеспечивает нормальный ход процесса рафинирования.

Наличие в электролизере для рафинирования алюминия по трехслойному способу катодного токоподвода с полным погружением графитовых блоков в расплав, при одновременном их расположении в катодном металле и электролите, защита

/ ков, подвешенных на алюминиевых штангах, соединяющихся с графитовыми блоками при помощи стальных ниппелей, графитовые блоки полностью погружены в расплав, причем верхняя поверхность графитового блока расположена над верхним уровнем электролита, а нижняя, над нижним уровнем электролита, при этом стальные ниппели, погруженные в расплав, покрыты слоем защитной электроизолирующей обмазки, Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В электролизере для рафинирования алюминия по трехслойному способу предлагаемое полное погружение графитовых блоков катодного токоподвода в расплав с погружением нижней их части в электролит с возможностью регулирования глубины погружения позволяет не только, в целом, снизить падение напряжения в электролите, но и оперативно изменить его г процессе электролиза. В результате чего, возможно поддержание оптимального значения температуры процесса электролиза, то есть незначительно превышающей температуру плавления алюминия. Со снижением температуры процесса рафинирования термохимическая стойкость магнезитовой футеровки повышается, а значит снижается в электролите, а, следовательно, и в катодном металле, примесь магния.

При таком катодном токоподводе возможно увеличение слоя электролита, что снижает вероятность перемешивания катодного и анодного металла при неравномерной нагрузке катодов, а также возможно снижение слоя рафинированного металла, что позволяет сократить потери АВЧ при технологических нарушениях.

Полное погружение катодных блоков в расплав исключает их окисление кислородом воздуха, максимально снижает температурный перепад между нижней и верхней частью графитового блока, предупреждает перераспределение тока в катодах в сторону повышения его плотности за счет нарастания электролитной "шапки", в

40 стальных ниппелей электроизолирующей обмазкой составляют новизну данного технического решения по сравнению с прототипом.

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и другими решениями в данной области техники выявило использование сходного признака — защита отдельных элементов конструкции электроизолирующей обмазкой.

Однако, наличие в электролизерах катодного токоподвода с полностью погруженными в расплав графитовыми блоками, одновременно находящимися и в слое катодного металла и в слое электролита, является неизвестным до настоящего времени признаком, Использование в рафинированных ваннах данного неизвестного признака со всеми другими известными признаками позволяет значительно повысить техникоэкономические показатели процесса электролиза, а именно:

1) Как известно, для нормального хода процесса рафинирования температура плавления электролита должна быть близкой к температуре плавления алюминия, то есть немного выше бб0 С. При существующих в настоящее время повышенных температурах расплава (более 800 С) получение алюминия высокой чистоты практически невозможно, так как при повышенной температуре процесса электролиза термохимическая стойкость магнезитовой футеровки снижается, то есть поступление магния в электролит, а в конечном итоге и в катодный металл, из футеровки возрастает.

Также, чем меньше различие в температурах плавления алюминия и электролита, тем ниже температура катодного алюминия, а, следовательно, его окисляемость и газопоглощение. Применение заявляемого катодного токоподвода позволяет значительно снизить, в целом, температуру процесса.

Так, промышленные испытания на ЕрА3е показали, что по сравнению с традиционным заглублением катодных блоков температура процесса снизилась на 70-80 С, при этом содержание магния в катодном металле снизилось с 0,005 — 0,013% до 0,0020,008%;

2) При существующей технологии ведения рафинирования наблюдается значительный перерасход электроэнергии по сравнению с теоретически необходимым.

На непосредственно процесс рафинирования электрическая энергия не расходуется.

Расходуемая при рафинировании электроэнергия практически полностью преобразуется в тепловую энергию, необходимую для

1788092

20

35

45

55 поддержания требуемой температуры процесса. В интересах экономии тока рафинирование необходимо вести при минимально допустимом межполюсном расстоянии. УстановленО, что оптимальное межполюсное расстояние, обеспечивающее нормальную работу ванн, составляет 65 — 100 мм. При ве-. дении процесса с погружением графитовых блоков в катодный металл межполюсное расстояние значительно превышает оптимальное значение, чем и объясняется высокий расход электроэнергии и повышенные температуры процесса рафинирования.

Промышленные испытания на БрАЗе показали, что опытные ванны работают с

МПР=70-110 мм, в то время как на рядовых оно составляет 220-310 мм. В результате рабочее напряжение на опытных ваннах снижено до 4,3-4,5 в по сравнению с 6 в на рядовых ваннах;

3) При ведении процесса с предложенным погружением графитовых блоков в расплав полностью исключается взаимодействие их с кислородом воздуха, устанавливается благоприятный для графитовых блоков температурный режим. В результате значительно снижается расход графитовых блоков (по предварительным данным около 30%);

4) При ведении электролиза с предлагаемым токоподводом создается возможность держать уровень катодного металла минимальным, что позволяет ускорить вывод ванны на высокую сортность, сократить потери АВЧ (переход в сырец) при расстройствах технологии. Так на БрАЗе испытания проводятся со слоем катодного металла 80 —.

1QO мм в то время как на рядовой ванне

150 - 230 мм;

5) Снижение температуры процесса позволяет пересмотреть состав анодного сплава в сторону снижения содержания меди, так на опытном электролизере оно снижено с 38% до 30%. то есть в предлагаемом электролизере создается возможность работы с анодным сплавом меньшей плотности;

6) Воэможность стабилизации (регулирования) рафинирЬвания позволяет сократить число технологических нарушений, снизить трудозатраты на обслуживание электролизеров;

7) Предлагаемый электролизер с погруженными в электролит катодными блоками позволяет применить систему автоматического регулирования. ь

Электролизер .с предлагаемым катоднымтокоподводом представлен на черте>ке, где дан его поперечный разрез, Электролизер для рафинирования алюминия состоит из металлического кожуха 1, футерованного шамотным кирпичом 2, Подина электролизера выложена угольными блоками 3 с залитыми в них токоподводящими стальными стержнями 4. Шахта футерована магнезитовым кирпичом 5. Катодные графитовые блоки 6 соединены с алюминиевыми штангами с помощью стальных ниппелей 7, которые крепятся на блоках чугунной заливкой, защищенной электроизолирующей обмазкой 8 от воздействия расплава, В электролизере в порядке снижения их удельной плотности располагаются: слой анодного сплава 9, электролит 10, катодный сплав 11.

Электролизер работает следующим образом.

Токоподвод к анодному сплаву 9, находящемуся на подине, осуществляется с помощью стальных стержней, вмонтированных в угольные блоки. Анодный сплав электролитом 10 отделяется от катодного рафинированного сплава 11. Катодные блоки погружаются в расплав таким образом, чтобы не менее 20 мм графитового блока находилось в катодном металле, э в электролите 120-150 мм. Для предотвращения замыкания на анодный сплав в предлагаемом электролизере катодные блоки укорачиваются, причем высота катодного блока может изменяться в каждом конкретном случае.

B процессе эксплуатации на БрАЗе двух опытных электролизеров с полностью погружениями в расплав катодными блоками определена оптимальная их высота — 170200 мм .

Формула изобретения

Электролизер для рафинирования элюминия трехслойным способом, включающий стальной футерованный кожух с токопроводящей подиной, размещенный на подине анодный сплав и катод из рафинированного алюминия с токоподводом в виде графитовых блоков. подвешенных на алюминиевых штангах, отличающийся тем, что, с целью повышения качества рафинированного алюминия, снижения затрат, графитовые блоки полностью погружены в расплав, причем верхняя поверхность графитового блока расположена над верхним уровнем электролита, а нижняя — под нижним уровнем электролита.

1788092

Составитель Н,Пендюрова

Редактор С,Козлова Техред М.Моргентал Корректор Н.Милюкова

Заказ 53 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 101