Способ снижения анодного перенапряжения при электролитическом получении алюминия

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом на электролизерах с угольными и малорасходуемыми анодами. Способ снижения анодного перенапряжения включает подачу на анод импульсов тока высокой частоты с использованием генератора высокочастотных импульсов переменного тока и варьированием частоты импульсов тока от 104 до 108 Гц. Обеспечивается снижение удельного расхода электроэнергии при получении алюминия путем снижения анодного поверхностного перенапряжения гетерогенной реакции образования СО2 за счет дополнительного нагрева и влияния импульсов переменного тока на кинетику электродных процессов. 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом на электролизерах с угольными и малорасходуемыми анодами.

Преимущественно изобретение может быть использовано при производстве алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов. Кроме того, оно может найти применение в других процессах электролиза, где необходимо снизить анодное перенапряжение реакции.

Как известно, удельный расход электроэнергии у алюминиевого электролизера рассчитывается по формуле:

где W - удельный расход электроэнергии электролизера, кВт·ч;

Uэл - среднее напряжение на электролизере, В;

k - электрохимический эквивалент алюминия, равный 0,336 г/(А·ч);

η - выход по току, доли ед.

Напряжение электролизера (Uэл) рассчитывается по формуле:

где Ер - напряжение разложения, В;

ηпа - поверхностное анодное перенапряжение, В;

ηа - анодное концентрационное перенапряжение, В;

ηк - катодное концентрационное перенапряжение, В;

I - сила тока, А;

R - сопротивление электролизера, Ом.

Среднее напряжение на электролизере составляет около 3,8-4,5 В.

Мощность (Wпa), диссипируемая за счет анодного поверхностного перенапряжения замедленной гетерогенной химической реакции ηпа и отнесенная к единице площади поверхности, находится по выражению (3):

где ηпа - поверхностное анодное перенапряжение, В;

i - плотность тока, А/м2.

Мощность, поглощаемая вследствие эффекта Пельтье (WП) на границе, рассчитывается по формуле (4):

где ε - термоэлектрический потенциал, В/К;

Т - температура, К;

i - плотность тока, А/м2.

При расчете общей мощности мощности Wпa и WП умножаются на площадь поверхности анода S.

Известна конструкция анода алюминиевого электролизера, включающая металлический токоподвод и угольную часть, расходуемую при электролизе (Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей. М.: Металлургия, 1966. 560 с.).

Недостатком такого угольного анода является наличие высокого поверхностного перенапряжения (ηпа) гетерогенной реакции образования СО2 из углерода и хемисорбированного кислорода. Величина этого перенапряжения при промышленных плотностях тока 7000-10000 А/м2 составляет ηпа=0,4-0,7 В. Учитывая, что среднее напряжение на электролизере составляет, как правило, более 4 В, величина ηпа значительно сказывается на величине напряжения электролизера (Uэл) и, следовательно, на расходе электроэнергии (W).

Удельная мощность, выделяемая за счет анодного поверхностного перенапряжения при ηпа=0,5 В, а i=104 А/м2, составит:

а удельная мощность, поглощаемая вследствие эффекта Пельтье при ε=10-3 В/К, Т=1000 К:

Иначе говоря, на подошве анода алюминиевого электролизера действует холодильник большой мощности.

Наиболее близким к заявленному является способ снижения анодного перенапряжения гетерогенной реакции при помощи добавки в электролит солей лития. В частности, в [Rudolf P. Pawlek. Lithium in anodes and cathodes of aluminium electrolysis cell / Light Metals 1998. - 547-553 р.] указано, что добавки в анод карбоната лития снижают среднее напряжение электролизера на 50-63 мВ.

К достоинствам такого способа относят:

- снижение расхода электроэнергии за счет снижения анодного перенапряжения;

- повышение выхода по току.

Недостатками способа являются:

- высокая стоимость солей лития;

- повышенное образование осадков вследствие снижения растворимости глинозема.

Основная задача предлагаемого изобретения заключается в снижении анодного перенапряжения и, как следствие, в снижении удельного расхода электроэнергии на алюминиевом электролизере.

Другой задачей изобретения является компенсация поглощаемой теплоты Пельтье между анодом и электролитом.

Технический результат заключается в снижении поверхностного перенапряжения гетерогенной реакции образования СО2 за счет дополнительного нагрева и влияния импульсов тока на кинетику электродных процессов.

Осуществить такой локальный нагрев можно путем подачи переменного тока с учетом его прохождения не по всему поперечному сечению угольной части, а по ее поверхности. Как известно, явление, когда плотность тока максимальна у поверхности проводника и минимальна в центре, называется скин-эффектом (Матвеев A.M. Электричество и магнетизм: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1983. - 463 с.) и зависит от частоты тока. Характеристикой скин-эффекта является глубина проникновения тока в проводник, называемая толщиной скин-слоя. Толщина скин-слоя (Δ) рассчитывается по формуле (3) (Николаев Е.Н., Коротин И.М. Термическая обработка металлов токами высокой частоты: Учебник для техн. училищ. - 3-е изд. Перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 207 с.).

где ρ - удельное сопротивление, Ом·м;

µ - магнитная проницаемость среды, Гн/м;

f - частота питающего переменного тока, Гц.

Например, для меди толщина скин-слоя при f=104 Гц равна 4 мм, а при f=106 Гц Δ=0,4 мм. Для углерода при f=10-4 Гц Δ=1 мм, а при f=106 Гц Δ=0,39 мм.

Мощность (ΔР), выделяемую в расчете на площадь 1 м2 за счет прохождения переменного тока, находим по формуле (4):

где I 0 2 - суммарный ток (называемый настил вихревого тока, приходящийся на каждый погонный сантиметр ширины поверхности).

Принимая значение суммарного тока постоянным 1000 А/м2, ρ углерода равным 0,000045 Ом·м, µ углерода 0,000105 Гн/м, при различных частотах переменного тока получим следующие значения удельной мощности (таблица 1).

Для достижения поставленной цели заявляемый способ обработки поверхности угольных анодов, используемых в электролитическом способе получения алюминия, содержит следующую совокупность существенных признаков: анод алюминиевого электролизера, имеющий металлический токоподвод и расходуемую угольную часть, генератор высокочастотного переменного тока.

Совокупность указанных общих и существенных признаков дополняют, развивают и уточняют следующие частные отличительные признаки, приведенные ниже в формуле изобретения:

- частота импульсов переменного тока для достижения достаточной удельной мощности будет изменяться от 104 до 108 Гц;

- импульсы переменного тока имеют различную форму, длительность, амплитуду, частоту следования, а также фазовые соотношения в последовательности импульсов. Для реализации данного пункта используется специальный генератор, имеющий соответствующие возможности;

- обработка угольной части анода высокочастотным током осуществляется постоянно или периодически по заранее установленной программе, для этого предусматривается внедрение соответствующих алгоритмов управления в автоматическую систему управления (АСУ) электролизом;

- для создания скин-эффекта на поверхности угольной части анода необходимо установить один или несколько дополнительных электродов;

- подключение угольной части анода к генератору высокочастотного тока может осуществляться с помощью специальных контактов;

- генератор может быть подключен к конструкционным элементам электролизера, последние при этом должны иметь соответствующие контакты.

Для реализации п. 1 формулы изобретения в угольную часть анода устанавливается дополнительный электрод для подвода переменного тока либо используются специальные контакты или генератор высокочастотного тока подключается напрямую к конструкционным элементам электролизера. При электролизе с помощью генератора высокочастотного тока подаются импульсы, обеспечивающие скин-эффект в угольной части анода.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображена схема установки дополнительных электродов. В угольной части анода алюминиевого электролизера 1 располагаются электрод из проводящего материала 2, снабженный контактом 3, для соединения с генератором переменного тока высокой частоты, заключенный в оболочку 4 из непроводящего материала, причем последняя имеет длину, равную длине ожидаемого огарка, остальная часть электрода (нижняя часть) не закрыта оболочкой и способствует увеличению электрической проводимости в горизонтальном направлении тока.

Фиг. 2 иллюстрирует другой вариант подключения генератора. Для реализации данного варианта вместо электродов, находящихся в угольной части анода 1, используются специальные контакты 2.

Фиг. 3 уточняет варианты подключения генератора высокочастотного тока. Фиг. 3а иллюстрирует вариант подключения генератора к аноду. Электроды располагаются так, чтобы обеспечить увеличение горизонтальной составляющей тока внутри угольной части анода. В случае если необходимо подключать два и более анодов к одному генератору, используется последовательное соединение последних. Такой вариант подключения показан пунктирной линией на рисунке. Фиг. 3б показывает возможность достижения результата при подключении к другим конструкционным элементам электролизера (анодной штанге и блюмсу).

Способ иллюстрирован схемой (фиг. 2) обработки обожженных анодов высокочастотным переменным током, подаваемым с генератора высокочастотного тока.

1. Способ электролитического производства алюминия на электролизерах с угольными анодами, заключающийся в том, что осуществляют снижение анодного перенапряжения гетерогенной реакции образования CO2 из хемисорбированного кислорода путем установки дополнительных электродов в угольную часть анода с обеспечением увеличения горизонтальной составляющей тока внутри угольной части анода и созданием скин-эффекта на ее поверхности, через которые в процессе электролиза на анод подают импульсы тока высокой частоты в диапазоне от 104 до 108 Гц, при этом для подачи импульсов тока используют генератор высокочастотного переменного тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсы переменного тока подают различной формы, длительности, амплитуды и фазовых соотношений в последовательности импульсов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу импульсов тока высокой частоты ведут постоянно или периодически по заданной программе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют дополнительные электроды из проводящего материала, частично заключенного в оболочку из непроводящего материала и имеющего электрический контакт.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительные электроды и электрические контакты выполняют из различных материалов.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют дополнительные электроды из проводящих веществ, способных утилизироваться при электролизе.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют дополнительные электроды из углеродного материала, например графита.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве непроводящего материала оболочки используют вещества, способные утилизироваться при электролизе.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве непроводящего материала оболочки используют оксид алюминия, например алунд.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительные электроды устанавливают в количестве 1, 2 или 4.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что угольную часть анода алюминиевого электролизера подключают к генератору высокочастотного переменного тока с использованием контактов-присосок.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что генератор высокочастотного тока подключают к анодным штангам и блюмсам электролизера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия. Технический результат - повышение точности контроля токораспределения.

Изобретение относится к аноду для электролитического получения алюминия электролизом фторидных расплавов при температуре менее 930°C. Анод содержит основу, выполненную из сплава, содержащего в мас.%: железо 65-96, медь до 35, никель до 20 и одну или несколько добавок молибдена, марганца, титана, тантала, вольфрама, ванадия, циркония, ниобия, хрома, алюминия (до 1), кобальта, церия, иттрия, кремния и углерода в сумме до 5, и защитный оксидный слой, состоящий главным образом из оксидов железа и комплексных оксидов железа, меди и никеля.

Изобретение относится к анодному блоку из углерода для предварительно обожженного анода электролизера по производству алюминия. Анодный блок имеет верхнюю сторону, нижнюю сторону, размещаемую напротив верхней стороны катода, четыре боковые стороны и по меньшей мере одну канавку, выходящую на по меньшей мере одну из боковых сторон, на которой упомянутая канавка имеет максимальную длину Lmax в плоскости, параллельной нижней стороне, при этом упомянутая канавка не выходит на упомянутые нижнюю или верхнюю стороны или выходит на упомянутые верхнюю или нижнюю стороны на длину L0, меньшую половины максимальной длины Lmax.

Изобретение относится к электролизеру с обожженными анодами для производства алюминия. Электролизер содержит угольные аноды с вертикальными отверстиями и катодное устройство со слоем жидкого алюминия на подине, при этом внутренняя поверхность каждого отверстия анода защищена корундовой трубкой, высота которой превышает высоту анода, отношение этих высот удовлетворяет условию h:H=(1,05÷l,15):1, где: h - высота корундовой трубки; H - высота анода и количество отверстий в аноде составляет не менее одного.

Изобретение может быть использовано при изготовлении композиционного оксидно-металлического инертного кислородвыделяющего анода для электролитического получения металлов, в частности, алюминия.
Изобретение относится к способам формирования вторичного анода алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом. Способ включает использование связующего нефтекаменноугольного пека с удельной плотностью 1,25-1,30 г/см3, преимущественно 1,27-1,29 г/см3, и содержанием бенз(а)пирена не более 7 мг/г пека, приготовление подштыревой анодной массы с содержанием связующего 30-40%, преимущественно 32-36%, формирование вторичного анода из приготовленной подштыревой анодной массы.

Изобретение относится к способу производства анодной массы для анодов алюминиевого электролизера, включающий регулирование процесса производства анодной массы путем изменения соотношения компонентов в коксопековой композиции.

Изобретение относится к способу подготовки анодной массы для формирования сырых анодов электролизера производства алюминия электролизом расплавленных солей. Способ включает приготовление шихты зерновых и пылевых фракций кокса, регулирование гранулометрического состава фракций кокса, нагрев шихты и смешивание шихты с пеком-связующим, охлаждение полученной анодной массы, формирование полученных сырых анодов.

Изобретение относится к способу обслуживания алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом в процессе его эксплуатации. Способ включает загрузку анодной массы в анодный кожух, перемещение анодного кожуха, перемещение анодной рамы относительно зеркала катодного металла и перестановку анодных штырей, при этом для перемещения анодной рамы определяют зависимость порога магнитогидродинамической (МГД) устойчивости электролизера от положения анодной рамы относительно зеркала катодного металла с построением графика, на котором определяют нижнее и верхнее положения анодной рамы относительно зеркала катодного металла, и при достижении анодной рамой позиции, соответствующей равенству упомянутых положений рамы относительно зеркала катодного металла, определяющему заданный порог МГД-устойчивости, осуществляют перемещение анодной рамы.

Изобретение относится к анододержателю анодного устройства алюминиевых электролизеров. Анододержатель содержит кронштейн с двумя и более ниппелями, расположенными равномерно или с разным шагом вдоль продольной оси обожженного угольного блока и закрепленными в выполненных в нем ниппельных гнездах, при этом ниппели имеют сужения с площадью поперечного сечения, равными 0,3÷0,9 площади поперечного сечения ниппеля в заделке анодного блока, выполненные над поверхностью угольного блока на расстоянии от 0,01-0,2 до 0,21-0,9 расстояния от поверхности угольного анода до горизонтальной части кронштейна.

Изобретение относится к способу изготовления анодной массы для анодов алюминиевых электролизеров. Способ включает приготовление анодной массы смешением зерновых фракций углеродного наполнителя в виде кокса с предварительно подготовленной связующей матрицей (СМ) на основе пылевой фракции кокса и пека в качестве связующего и регулировании гранулометрического состава (СМ) относительно заданного значения логарифма вязкости связующей матрицы корректировкой соотношения пылевых фракций при определении вязкости связующей матрицы в автоматическом режиме. Обеспечивается улучшение и стабилизация свойств анодной массы за счет управления ее пластичностью. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к электролитическому получению алюминия с применением инертных анодов из литых композиционных материалов с коррозионно-стойким покрытием анода. Способ получения инертного анода из литого композиционного материала, одной из составляющих которого является металлический сплав системы Cu-Ni-Fe, а другой составляющей оксидное покрытие, включающий приготовление сплава системы Cu-Ni-Fe, его перегрев до заданной температуры и заливки в кокиль с последующим формированием оксидного покрытия на его поверхности, в сплав системы Cu-Ni-Fe, предварительно модифицированный церием, в количестве 0,02-0,04 мас.% при температуре 1400-1450°C при тщательном перемешивании вводят порошок феррита никеля, с размером частиц не более 0,1 мкм в количестве 5-40 мас.%, предварительно синтезированный и плакированный металлом-протектором. Техническим результатом является получение инертного анода с низким удельным электросопротивлением, высокой коррозионной стойкостью в расплаве электролита, с защитным коррозионно-стойким покрытием непосредственно в литейной форме, экономичностью, простотой изготовления и повышением качества композиционного материала. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к конструкции анодного штыря электролизеров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом при электролитическом производстве алюминия. Анодный штырь содержит стальной цилиндрический стержень, наружная поверхность которого выполнена с резьбой, причем наружная поверхность цилиндрической части штыря, погружаемой в анод, выполнена с трубной резьбой шагом P, равным 0,2÷0,5 длины L анодного штыря, при этом отношение наружного диаметра D анодного штыря к внутреннему диаметру цилиндра D1, вписанного внутренней вершиной резьбы, находится в пределах D:D1=1:0,9÷0,6, а число заходов резьбы n составляет от 2 до 4. Обеспечивается снижение энергозатрат на производство алюминия путем уменьшения падения напряжения в контактном узле анодный штырь-анод за счет увеличения его площади, снижения усилия, которое требуется приложить при вывинчивании штыря из анода, исключения разрушения спеченной части анода при извлечении штыря. 1 ил.

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия, а именно к способу формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом. Способ включает загрузку анодной массы в анодный кожух, установку в жидкую фазу анода вдоль продольной оси анода электролизера частично заглубленных, одинаковых по высоте металлических охлаждающих элементов, подъем анодного кожуха, перестановку стальных анодных штырей на более высокий горизонт анода с извлечением стальных штырей из тела угольного анода, загрузку дозированного количества подштыревой массы и установку штырей в лунку анода, при этом загружают анодную массу на основе нефтяного кокса с содержанием каменноугольного пека 27÷29%, устанавливают горизонтально ориентированные металлические охлаждающие элементы в одну линию между центральными рядами анодных штырей с одинаковой глубиной погружения в жидкую фазу анода, а подъем анодного кожуха осуществляют с подъемом металлических охлаждающих элементов за один прием не более чем на 3,0 см. Обеспечивается уменьшение расхода анодной массы, снижение выхода угольной пены, сокращение расхода электроэнергии и выбросов загрязняющих веществ за счет повышения качества анода. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способу оптимизации токоподвода к аноду электролизера при электролитическом получении алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Способ включает удаление в ходе технологического сопровождения на электролизере токоподводящих штырей внутренних рядов, в проекции которых наиболее развитая трещиноватость, лунки и пустоты, до соотношения количества штырей внутренних и наружных рядов (0,98…0,88):1, при этом упомянутые штыри не устанавливают в дальнейшем. Обеспечивается повышение производительности электролизера за счет снижения потерь от обратного окисления произведенного алюминия посредством стабилизации межполюсного зазора и снижение расхода электроэнергии и трудозатрат на обслуживание электролизера. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электролизеру для производства алюминия с биполярными электродами. Электролизер содержит корпус с боковой и подовой футеровкой, концевые аноды и катоды, размещенные на противоположных сторонах корпуса электролизера, и вертикально установленные между ними нерасходуемые биполярные электроды, при этом нерасходуемые биполярные электроды, образующие модули электролиза, установлены вдоль оси электролизера рядами, между которыми расположены модули питания глиноземом и сбора алюминия. Боковая и подовая футеровка электролизера выполнена из глиноземсодержащего материала и покрыта слоем глубокопрокаленного глинозема, а модуль питания глиноземом отделен от модуля сбора алюминия плитой из огнеупорного, неэлектропроводного материала, например карбида кремния или нитрида алюминия. Биполярные электроды могут быть установлены под углом к вертикали не более 10°. Торцевые грани биполярных электродов со стороны модуля питания глиноземом защищены покрытием из огнеупорного, неэлектропроводного материала, например, карбида кремния или нитрида алюминия. Обеспечивается улучшение снабжения глиноземом биполярных электродов, снижение скорости растворения анодной части электродов и трудовых затрат на обслуживание электролизера, обеспечение устойчивой и продолжительной эксплуатации биполярных электродов и производство алюминия коммерческой чистоты (не менее 99,5% Al). 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу замены анодов при электролизе расплава алюминия в алюминиевом электролизере с предварительно обожженными анодами с регенерацией тепла за счет предварительного подогрева анода. Способ включает подогрев новых анодов перед установкой его в электролизер, которые перед заменой предварительно устанавливают под укрытие электролизера, в непосредственной близи рабочих анодов в послепусковой период работы электролизера. Новые аноды выдерживают под укрытием в течение 8-48 ч, извлекают анодный остаток рабочего анода, подогретый анод устанавливают в электролизер, а на место подогретого анода устанавливают новый анод. Обеспечивается улучшение технологии электролиза. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к анодному блоку электролизера с обожженными анодами для производства алюминия. Анодный блок содержит на нижней рабочей поверхности пазы и вертикальные газоотводящие трубки. Высота пазов равна 0,15-0,2 высоты анодного блока, высота вертикальных газоотводящих трубок равна 0,9-1,0 высоты анодного блока, трубки установлены с шагом, равным 0,1-0,2 длины анодного блока при продольном размещении пазов, или с шагом, равным 0,15-0,3 ширины анодного блока при поперечном размещении пазов, при этом нижние концы газоотводящих трубок совмещены с верхней гранью пазов. Обеспечивается сокращение удельного потребления электрической энергии и повышение энергетической эффективности электролизного производства за счет снижения объема газоэлектролитного слоя и уменьшения потерь напряжения на преодоление его сопротивления в течение всего срока службы анода. 2 ил.

Изобретение относится к способу и системе для определения дозировки связующего вещества для объединения с дисперсным материалом с получением электрода. Способ включает получение от необожженного электрода партии N двух показателей, а именно, смоделированную плотность в обожженном состоянии и характеристику изображения. Эти показатели и данные партии N и N-1 используют для определения дозировки связующего вещества для партии N+1. Обеспечивается повышение качества обожженного анода. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к ошиновке алюминиевого электролизера большой мощности при поперечном расположении электролизеров в корпусе электролиза. Ошиновка содержит сборные и обводные катодные шины и спуски, установленные вдоль входной и выходной сторон катодного кожуха предыдущего электролизера, в которой анодная ошиновка последующего электролизера соединена с катодными шинами предыдущего электролизера посредством стояков, при этом каждый из пакетов катодных шин, огибающих торцы электролизера, передает 35-50% тока входной стороны. Ошиновка содержит ферромагнитный экран, выполненный в виде утолщенной продольной стенки катодного кожуха, размещенной между анодными стояками входной стороны электролизера и расплавом в электролизере, при этом ферромагнитный экран выполнен по высоте и длине больше проекции расплава на экран. Обеспечивается снижение негативного воздействия магнитного поля на расплав в электролизере. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к производству алюминия электролитическим способом на электролизерах с угольными и малорасходуемыми анодами. Способ снижения анодного перенапряжения включает подачу на анод импульсов тока высокой частоты с использованием генератора высокочастотных импульсов переменного тока и варьированием частоты импульсов тока от 104 до 108 Гц. Обеспечивается снижение удельного расхода электроэнергии при получении алюминия путем снижения анодного поверхностного перенапряжения гетерогенной реакции образования СО2 за счет дополнительного нагрева и влияния импульсов переменного тока на кинетику электродных процессов. 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Наверх