Способ интенсификации процесса электролитического получения алюминия на электролизерах с самообжигающимися анодами и боковым токоподводом
Изобретение относится к электрометаллургии алюминия. При интенсификации процесса электролитического получения алюминия процесс проводят на электролизерах с анодом и токоподводящими штырями. При этом контролируют технологические параметры процесса для определения анодной плотности тока и повышают ее. Используют электролизеры с самообжигающимся анодом и боковыми токоподводящими штырями и поддерживают усредненные по группе электролизеров значения температуры электролита 9555oС и падения напряжения в межполюсном зазоре 3,4
0,1 В. Анодную плотность тока определяют по зависимости
, где ia - анодная плотность тока. А/см2;
- выход по току, доли единицы; h - уровень металла, см;
T - перегрев электролита, oС;
- удельное сопротивление электролита, Ом
см; L - межполюсный зазор, см; K1-К6 - эмпирические коэффициенты, определяемые технологией и конструкцией электролизера, при этом K1= 1,928
0,2; K2= 1,42
0,1; К3= 0,012
0,003; K4=0,89
0,1; К5= 0,01
0,002; К6= 0,5
0,05. Изобретение позволяет расширить пределы повышения анодной плотности тока и производительности электролизера при поддержании заданного диапазона значений температуры электролита и падения напряжения в межполюсном зазоре. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к электрометаллургии алюминия и может быть использовано на заводах, оснащенных электролизерами с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом.
Интенсификация процесса электролиза в действующих сериях является важнейшим средством повышения эффективности производства. Максимальные значения силы тока, выхода по току и, соответственно, производительности достигаются в относительно узких диапазонах температуры электролита и межполюсного зазора. Температура электролита должна быть, с одной стороны, достаточно низкой для обеспечения высокого выхода по току и нормальной толщины бортового гарниссажа и достаточно высокой, с другой стороны, чтобы исключить образование на подине коржей, длинных подовых настылей и больших скоплений осадка нерастворившегося глинозема. Обязательным условием достижения высоких значений силы тока, выхода по току и низкого расхода электроэнергии является работа в оптимальном, узком диапазоне изменений межполюсного зазора, контролируемого по величине падения напряжения в межполюсном зазоре. Заданное номинальное значение силы тока является максимально возможным для данной конструкции электролизера в условиях достигнутого уровня технологии. Дальнейшее повышение силы тока требует разработки дополнительных решений. Применяемый в промышленности способ интенсификации процесса электролитического получения алюминия в действующих сериях электролизерах предусматривает повышение анодной плотности тока за счет введения в электролит добавок, снижающих электросопротивление электролита, и уменьшения межполюсного зазора [1-2]. Величину повышения анодной плотности тока при снижении электросопротивления электролита и уменьшении межполюсного зазора устанавливают в пределах, исключающих значительное повышение температуры электролита и недопустимое расхождение гарниссажа. Контроль температуры электролита, межполюсного зазора и состояния гарниссажа осуществляют периодически непосредственными измерениями на представительной группе электролизеров. Межполюсный зазор дополнительно оценивают визуально по рабочему напряжению электролизера и по данным АСУТП с использованием общепринятой в алгоритмах регулирования формулы приведенного напряжения. Недостатками этого способа интенсификации являются повышение температуры электролита и падения напряжения в межполюсном зазоре. В результате уменьшения выхода по току, как показывает промышленный опыт, повышение анодной плотности тока составляет не более 1,5%, а суточной производительности электролизера - около 1%. Известен способ интенсификации процесса электролитического получения алюминия, включающий проведение процесса на электролизерах с анодом и токоподводящими штырями, контроль технологических параметров процесса для определения анодной плотности тока и ее повышение, принятый в качестве ближайшего аналога (3). Технической задачей изобретения является обеспечение в ходе интенсификации заданного диапазона усредненных по группе электролизеров значений температуры электролита и падения напряжения в межполюсном зазоре, расширение пределов повышения анодной плотности тока и производительности электролизера. Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном способе интенсификации процесса электролитического получения алюминия, включающем проведение процесса на электролизерах с анодом и токоподводящими штырями, контроль технологических параметров процесса для определения анодной плотности тока и ее повышение, используют электролизеры с самообжигающимся анодом и боковыми токоподводящими штырями и поддерживают усредненные по группе электролизеров значения температуры электролита 955![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/img_data/61/612968.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/916.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/961.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
K1-К6 - эмпирические коэффициенты, определяемые технологией и конструкцией электролизера:
K1=1,928
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
К2=1,42
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
К3=0,012
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
К4=0,89
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
К5=0,01
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
К6=0,5
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
Приведенная формула для ia и базовые значения коэффициентов K1-К6 получены из тепловых балансов электролизеров, составленных до начала (1-е полугодие 1997 г.) и в конце завершающего периода интенсификации (IV квартал 2000 г. ). Интервалы изменения коэффициентов K1-К6 учитывают особенности технологии и конструкции электролизеров, резервы дальнейшей интенсификации процесса. Коэффициент K1 определяет влияние тепловых потерь электролизера на ia в зависимости от степени теплоизоляции электролизера, сезонных изменений температуры наружного воздуха. Нижнее значение K1 относится к электролизеру с максимальной теплоизоляцией катода, увеличенной толщиной глиноземной засыпки в летний период. Верхнее значение K1 имеет противоположные признаки. Выражение K2
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/916.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/961.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
Базовая формула устанавливает в общем виде соотношения между ia и технологическими параметрами в ходе поэтапной интенсификации. Механизм взаимодействия между отдельными параметрами при использовании базовой формулы уточняется дополнительными условиями. Повышение анодной плотности тока осуществляют путем увеличения перегрева электролита в пределах 10-25oС за счет снижения температуры ликвидуса электролита. При этом уровень металла составляет 40-80% от глубины шахты электролизера. В электролит для снижения температуры ликвидуса вводят добавки, мас.%:
АlF3 - 2-10
СаF3 - 2-8
MgF2 - 0,1-5
LiF - 0,1-3
Увеличение перегрева электролита при снижении температуры ликвидуса соответствует заданным усредненным по группе электролизеров значениям температуры электролита 955
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/961.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/916.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/961.gif)
Повышение перегрева электролита требует усиления интенсивности отвода тепла из межполюсного зазора для сохранения бортового гарниссажа. Для этого повышают уровень металла в пределах, ограничиваемых параметрами магнитного поля и глубиной шахты электролизера с учетом минимально возможного уровня электролита. Поддержание падения напряжения в межполюсном зазоре в пределах 3,4
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
Uм.п.з = Uуст-Uа.к-K2(1-
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
где Uм.п.з - напряжение межполюсного зазора, В;
Uуст - установочное напряжение электролизера, В;
Uа.к - напряжение анодного и катодного узлов электролизера, В. Реализация этой зависимости сводится к корректировке установочного напряжения по результатам измерений укрупненного электрического баланса и оценок изменений выхода по току в зависимости от индивидуальных особенностей электролизеров, степени интенсификации процесса, состояния технологии. Включение тепла реакции вторичного окисления алюминия, приведенного к греющему напряжению, в установочное напряжение позволяет повысить степень стабилизации теплового режима электролизеров и является новым техническим решением по улучшению качества регулирования межполюсного расстояния. Центральное место в разработанном комплексе мероприятий по интенсивной технологии занимает подбор состава электролита с заданными свойствами: повышенным межфазным натяжением, пониженными вязкостью и растворимостью металла. Эти свойства в совокупности с увеличенным перегревом электролита коренным образом изменяют условия выхода анодных газов из-под анода и выноса тепла из центральных зон межполюсного зазора при определенных параметрах установки штырей, обеспечивая одновременное повышение и силы тока и выхода по току в узком диапазоне значений температуры электролита. Повышение анодной плотности тока осуществляют за счет увеличения выхода по току путем перестановки токоподводящих штырей, при этом увеличивают угол заглубления токоподводящих штырей относительно горизонта в пределах 4-14o и уменьшают расстояние между горизонтами верхней точки отверстия из-под штырей на боковой поверхности анода и нижней точки отверстия в глубине анода ближайшего верхнего ряда штырей (а) в пределах, определяемых по зависимости:
a = b-I
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/966.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
где b - шаг перестановки штырей, см;
I - длина заглубленной в анод части штыря, см;
![](https://img.findpatent.ru/chr/966.gif)
d1 - максимальный диаметр отверстия из-под штыря на боковой поверхности анода, см;
d2 - минимальный диаметр отверстия из-под штыря в глубине анода, см. На фиг. 1, 2, 3 представлено расположение штырей в начале их выхода в межполюсный зазор при угле заглубления, соответственно, 4,9 и 14 градусов. При угле заглубления 4o расстояние "а", обозначенное "мертвой" зоной анода для выхода анодных газов составляет 12 см (фиг.1), минимальное расстояние от конца нижнего ряда штырей до подошвы анода - 18,5 см. При углах заглубления 9o и 14o расстояния "а" равны, соответственно, 5,8 см (фиг.2) и нулю (отсутствие "мертвой" зоны, фиг.3), минимальные расстояния - 10 см и 6,2 см. Угол заглубления 14o обеспечивает постоянный контакт через отверстия из-под штырей электролита в межполюсном зазоре с электролитом или воздухом в пространстве борт-анод. Достаточно жидкотекучий электролит с повышенным перегревом обеспечивает в этом случае выход анодных газов в течение всего цикла перестановки штырей (отсутствие "мертвой" зоны) через эти отверстия, по пути наименьшего гидродинамического сопротивления. Вязкий электролит с пониженным перегревом делает непроницаемыми для анодных газов отверстия из-под штырей из-за высокого гидродинамического сопротивления, забивания отверстий шламом или затвердевания электролита. Выход анодных газов через отверстия в теле анода уменьшает толщину прианодного газоэлектролитного слоя, площадь газовых пузырей СО2, благодаря чему снижаются электросопротивление и падение напряжения в газовом слое, скорость реакции вторичного окисления алюминия. Ослабляется вертикальная циркуляция в межполюсном зазоре. Улучшаются условия отвода тепла из центральных зон межполюсного зазора, что уменьшает разницу температур в центре и в пространстве борт-анод, и способствует снижению средней температуры электролита. Уменьшение минимального расстояния от штырей до подошвы анода при увеличении угла заглубления снижает падение напряжения и термическую нагрузку в аноде, компенсируя влияние повышения силы тока на тепловое состояние анода. Уменьшение расстояния "а" при увеличении угла заглубления штырей при заданных значениях шага перестановки, длины заглубленной части штыря, максимального и минимального диаметров конусной части штыря повышает эффективность нового механизма газоудаления, увеличивает долю анодных газов, проходящих через отверстия из-под штырей. Угол заглубления штырей является важнейшим оперативным параметром расстановки штырей, расстояние "а" обобщает все параметры, характеризующие эффективность удаления анодных газов через отверстия из-под штырей. Изменение этих параметров наиболее полно определяет механизм удаления газов. Максимальная эффективность достигается при угле заглубления 14o и нулевом значении расстояния "а" (отсутствии "мертвой" зоны для удаления анодных газов). При угле заглубления 4o более половины времени механизму удаления - через межполюсный зазор. Угол заглубления менее 4o не приемлем для интенсифицированного режима из-за увеличения минимального расстояния от штырей до подошвы анода и, соответственно, термической нагрузки анода. Пример. Промышленные испытания предлагаемого способа интенсификации проводились в период с 1997 по 2000 гг. в объеме электролизного цеха Богословского алюминиевого завода. Отработка интенсифицированного режима производилась поэтапно с подбором параметров электролита (содержание добавок, перегрев), повышением уровня металла, внедрением комплекса мероприятий по совершенствованию управления процессом и технологии анода, эффективность которых определялась по изменениям величин выхода по току, рабочего и среднего напряжения, температуры электролита, состояния бортового гарниссажа, технико-экономических показателей. В таблице 1 приведены основные технологические параметры и технико-экономические показатели электролизного цеха БАЗа, в период освоения интенсивной технологии. Для выявления закономерностей интенсифицированного режима были рассчитаны физико-химические свойства электролита, сняты электрические и тепловые балансы однотипных электролизеров в начальный и завершающий периоды интенсификации (таблица 2). Интенсификация происходила практически при постоянной средней температуре электролита, увеличении перегрева электролита за счет снижения температуры ликвидуса при увеличении содержания в электролите добавок AlF3, CaF3, MgF2, LiF. Падение напряжения в анодном и катодном узлах снизилось, несмотря на повышение силы тока, при этом электролизеры были "разжаты" - среднее значение падения напряжения в межполюсном зазоре увеличилось на 142 мВ. Расчетное повышение падения напряжения в межполюсном зазоре составляет в результате, мВ:
- снижения электропроводности электролита - - 133
- повышения омического падения напряжения в электролите при росте силы тока - - 170
- повышения обратной э.д.с. - 14
Всего: - - 317
Неувязка фактического и расчетного значений в 175 мВ обусловлена снижением сопротивления прианодного газоэлектролитного слоя, улучшением условий выхода анодных газов через отверстия из-под штырей. Оптимизация условий удаления анодных газов с использованием жидкотекучего электролита с пониженной температурой ликвидуса, увеличенным перегревом позволила интенсифицировать процесс со следующими новыми признаками:
- постоянство температуры электролита;
- повышение выхода по току одновременно с ростом анодной плотности тока;
- многократное расширение пределов повышения производительности электролизеров. По состоянию на 4 квартал 2000 г. (таблица 1) достигнуты следующие результаты:
- повышение силы тока и анодной плотности тока на 9,2%;
- повышение выхода по току на 3,73%;
- увеличение производительности на 12% против 1%, в известном способе. Источники информации
1. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия, "Металлургия", 1971, с. 411-413. 2. Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей, "Металлургия", 1966, с.477-476. 3. Сучков А. Б. Проблемы интенсификации электролиза в металлургии, Москва, "Металлургия", 1976, с. 258-264. 4. E.W.Dewing/Metallurgical Transations, B.V.22B, April 1991, 177-182. 5. H.Kvande/Erzmetall, 35 (1982), 12, 601-604.
Формула изобретения
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/img_data/61/612969.gif)
где ia - анодная плотность тока, А/см2;
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
h - уровень металла, см;
![](https://img.findpatent.ru/chr/916.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/961.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
L - межполюсный зазор, см;
K1-К6 - эмпирические коэффициенты, определяемые технологией и конструкцией электролизера, при этом K1=1,928
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/177.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/916.gif)
Uм.п.з = Uуст-Uа.к-K2(1-
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
где Uм.п.з. - напряжение межполюсного зазора, В;
Uуст - установочное напряжение электролизера, В;
Uа.к - напряжение анодного и катодного узлов электролизера, В. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что повышение анодной плотности тока осуществляют за счет повышения выхода по току (
![](https://img.findpatent.ru/chr/951.gif)
a = b-I
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/966.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/8226.gif)
где b - шаг перестановки штырей, см;
I - длина заглубленной в анод части штыря, см;
![](https://img.findpatent.ru/chr/966.gif)
d1 - максимальный диаметр отверстия из-под штыря на боковой поверхности анода, см;
d2 - минимальный диаметр отверстия из-под штыря в глубине анода, см.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 28.06.2008
Извещение опубликовано: 27.06.2010 БИ: 18/2010