Производство алюминия с движущимся электролитом в электролизере

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2763059:

Кидаков Сергей Владимирович (RU)

Настоящее изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к конструкции электролизеров для производства алюминия. Электролизер для производства алюминия, содержащий камеру электролиза, катод и аноды, ввод для подачи насыщенного оксидом алюминия расплавленного электролита, отвод обедненного оксидом алюминия расплавленного электролита с другой стороны камеры. Катод выполнен в виде подины с наклоном, обеспечивающим движение электролита самотеком вдоль подины в сторону отвода обедненного оксидом алюминия электролита. В передней части относительно течения раствора для постоянного отвода излишков алюминия расположена ванна. Электролизер содержит замкнутый контур, обеспечивающий циркуляцию электролита с растворенным оксидом алюминия и выполненный с возможностью равномерного насыщения электролита оксидом алюминия вне зоны электролиза при его перемещении с отвода к вводу в электролизер. Аноды выполнены из псевдосплава меди и вольфрама. Технический результат: увеличение выхода алюминия при меньших затратах электричества. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Область техники.

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к конструкции электролизеров для производства алюминия.

2. Предшествующий уровень техники.

Существуют химические способы получения алюминия и способы с использованием электролиза. Химические способы имеют высокую себестоимость получаемого алюминия и малую производительность. Наиболее производительным химическим способом получения является магнийтермическое восстановление трихлорида алюминия (ном. патента RU0002583214 от 10.05.16г. автор Бегунов Альберт Иванович).

Значительно более производительным является получение алюминия с использованием электролиза открытого в 1808 г. и значительно усовершенствованном 1886г. французским инженером Польем Эру и американским студентом Чарльзом Холлом. Метод Холла-Эру с небольшими доработками используется в промышленности в настоящее время. Прогресс в технологии электролизного получения алюминия происходит по следующим направлениям:

- доработка конструкции электролизёра в целом – изобретение № EA 201990207 от 28.06.2019 г., автор Лю Синхуа;

- доработка подачи оксида алюминия - изобретение № RU 0002454490 от 27.06.12 г. авторы Поляков Петр Васильевич, Виноградов Алексей Михайлович, Никитин Евгений Викторович, Красовицкий Александр Владимирович;

- доработка химической составляющей процесса электролиза хлорида алюминия - изобретение № US 4919771 от 24.04.90 автор Wilkening Siegfried.

Из уровня техники и в производстве известно пропускание металлического расплава через фильтр для его очистки от нерастворимых частиц (не металлических включений и пр.). В качестве фильтров используются особые сорта стеклоткани с размером ячейки около 1 мм или стальную сетку. Наиболее эффективно фильтрование расплавов через зерновые и спеченные пористые фильтры. Зерновые фильтры представляют 30-60 мм слой из кусков зерен диаметром 5-15 мм. Спеченные пористые фильтры имеют поры размером до 0,5 мм. Оба этих типа фильтров способны задерживать очень мелкие включения, до 20-30 мкм в поперечнике. Из текущего уровня техники не известно использование подобных фильтров для предварительной очистки расплава алюминия внутри электролизера.

Все найденные изобретения, касающиеся электролизного получения алюминия, незначительно улучшают технологию, не меняя её кардинально. Все улучшения не меняют основные недостатки электролизного получения алюминия:

- огромный расход электроэнергии,

- не равномерность процесса электролиза в силу использования не равномерно сгорающих угольных анодов,

- не равномерность подачи оксида алюминия в зону электролиза

Эти недостатки значительно снижает представленное изобретение.

3. Раскрытие изобретения.

Сущностью представленного изобретения является: повышение интенсивности процесса электролиза при меньшем расходе электричества движением электролита насыщенного оксидом алюминия вдоль подины электролизера самотёком и использование в качестве анодов металлов или их сплавов с высокой проводимостью, тугоплавкостью, коррозийной и химической стойкостью.

4. Целью изобретения являются:

- высокая интенсивность и равномерность реакции диссоциации оксида алюминия на составляющие химические элементы - алюминий и кислород под действием тока, исключающей анодный эффект (блокирование анодов газовой плёнкой) и выпадение в осадок оксида алюминия, что нарушает эффективность электролиза,

- поддержание максимальной насыщенности электролита растворенным оксидом алюминия между анодами и катодом (подиной),

- смыв потоком электролита с анодов выделяющихся пузырьков кислорода снижая анодный эффект и реакции окисления и разрушения анодов, увеличивая смачиваемость анодов электролитом,

- экономия электроэнергии на высокой проводимости и низкого электрического сопротивления анодов.

Перечисленные факторы позволяют достичь большего выхода алюминия при меньших затратах электричества. Также технологический процесс изобретения позволяет получать вместо углекислого газа кислород.

5. Это достигается тем, что:

- в камере электролиза обеспечивается циркуляция электролита с растворенным оксидом алюминия в замкнутом контуре,

- в силу большой вязкости электролита с растворенным оксидом алюминия уровень подачи электролитной смеси выше чем уровень её оттока чем обеспечивается самоток,

- равномерное насыщение электролита оксидом алюминия происходит вне зоны электролиза с использованием перемешивания и регулирования добавок,

- в камеру электролиза раствор электролита с растворенным оксидом алюминия подаётся равномерно с целью равномерного перемещения между анодами и катодом

- осаждаемый алюминий стекает самотёком по подине имеющей небольшой наклон в сторону ванны, расположенной в передней части относительно течения раствора, излишки алюминия постоянно отводится наружу для дальнейшей обработки, обеспечивая постоянный уровень алюминия на подине,

- ванна сбора расплавленного алюминия может использоваться для грубой очистки от нерастворимых частиц (не расплавленных, не металлических включений и пр.),

- выделяющийся на анодах кислород, во избежание блокирования анодов от раствора и вступления в химическую реакцию постоянно отводится вверх и в систему отвода и очистки газов,

- для эффективного отделения и отвода кислорода используются обтекаемые аноды (смыв пузырьков) и вибрация анодов оптимальной частоты, чем больше кислорода отделится с выведется, тем меньше он будет участвовать в обратимой реакции окисления алюминия,

- выделившийся кислород может быть очищен и использован в промышленности, транспорте или медицине,

- аноды должны быть изготовлены из тугоплавкого метала или сплава высокой электропроводностью, низкого электрического сопротивления, коррозийной и химической стойкостью, предположительно - псевдосплав меди и вольфрама.

Дополнительно следует добавить сведения, подтверждающие влияние каждого из

заявленных конструктивных признаков на достижение указанного технического результата, а именно, повышение интенсивности процесса электролиза при меньшем расходе электричества:

- Циркуляция электролита снижает процесс появления в прианодном пространстве кислородной подушки, увеличивающей электрическое сопротивление и расход электроэнергии. Равномерный расход оксида алюминия в протекающем электролите снижает возможность проявления известного в процессе электролиза алюминия анодного эффекта при снижении содержания оксида алюминия в прианодном пространстве менее 1% который также снижает эффективность электролиза - увеличивает расход электроэнергии и требует дополнительных мероприятий для исключения анодного эффекта.

- Вибрация используется из известного уровня техники для отрыва пузырьков выделяющихся на электродах газов и для ускорения химических реакций (например, В.А. Позднеев, В.Н. Цуркин «О низкочастотной осцилляции пузырьков в вибрирующей жидкости» 28.09.2001)

- Использование анодов из химически неактивных материалов значительно снижает образование пены (угольной пены при использовании угольных анодов). Предлагаемые ранее материалы анода на основе: железа, никеля, марганца, титана, тантала, циркония, хрома, ниобия, кобальта, ванадия, сплавов на их основе, карбидов и боридов этих металлов, а также с использованием композиционных материалов на основе тугоплавкой керамики, имеют от 1,5 до 50 раз большее электрическое сопротивление чем у анодов на основе композитного сплава меди и вольфрама и, следовательно, больший расход электричества при электролизе. Электрическое сопротивление угольных анодов в 430-600 раз выше сопротивления композитного сплава меди и вольфрама.

Отдельно к представленному изобретению рекомендуется организация выпуска готовой продукции на заводах получения алюминия из оксида алюминия. Этим достигается экономия электроэнергии на повторный разогрев/расплав заготовок (слитки различной формы). Сэкономленная, дешевая электроэнергия наиболее эффективно применима при производстве готовой продукции с высокой добавленной стоимостью. Описанные в изобретении методы могут быть применены, в том числе, в производстве рафинированного (очищенного) алюминия. Процесс рафинирования, для снижения себестоимости продукции, может быть включен в один технологический цикл с первичным получением алюминия.

6. Краткое описание чертежей.

На Фиг. 1 изображен электролизер с движущимся самотёком электролитом, указаны:

1 - отводимые газы

2 - отвод обедненного электролита и место добавления оксида алюминия

3 - отвод расплавленного алюминия

4 - направление движения электролита с растворенным оксидом алюминия

5 - подина, катод

6 - электролит с растворенным оксидом алюминия

7 - подача электролита насыщенного оксидом алюминия

8 - аноды из метала или сплава металлов

9 - токопроводная шина

10 - расплавленный алюминий.

Перемешивание в электролите добавленного оксида алюминия происходит при его перемещении с отвода к вводу в электролизер.

Электролизер может быть выполнен по симметричной компоновке с подачей электролита насыщенного оксидом алюминия с двух, противоположных сторон и отбором обедненного оксидом алюминия электролита в центре.

На фиг. 2 А указан поперечный разрез анода со схематическим обтеканием электролита.

На фиг.2 В изображено

8 - анод, установленный в ванне электролизера на анодной электрической шине

9 - электрическая анодная шина

11 - вибрирующее устройство.

Для упрощения на чертеже не показаны элементы, не относящиеся к демонстрации установки обтекаемых анодов.

1. Электролизер для производства алюминия, содержащий камеру электролиза, катод и аноды, отличающийся тем, что содержит ввод для подачи насыщенного оксидом алюминия расплавленного электролита, отвод обедненного оксидом алюминия расплавленного электролита с другой стороны камеры, катод выполнен в виде подины с наклоном, обеспечивающим движение электролита самотеком вдоль подины в сторону отвода обедненного оксидом алюминия электролита, ванну, расположенную в передней части относительно течения раствора для постоянного отвода излишков алюминия, замкнутый контур, обеспечивающий циркуляцию электролита с растворенным оксидом алюминия и выполненный с возможностью равномерного насыщения электролита оксидом алюминия вне зоны электролиза при его перемещении с отвода к вводу в электролизер.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что ванна выполнена с возможностью грубой очистки расплавленного алюминия.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что аноды выполнены из псевдосплава меди и вольфрама.

4. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что аноды имеют поперечное сечение обтекаемой формы.

5. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что аноды выполнены с возможностью вибрации.

Изобретение относится к способу электролитического получения алюминия с использованием твердых электродов. Способ включает горизонтальное или вертикальное расположение погруженных в электролит электродов с формированием междуполюсного расстояния между ними, при этом устанавливают переменное междуполюсное расстояние между противолежащими поверхностями анодов и катодов, причем переменное межэлектродное расстояние lx устанавливают в зависимости от текущего расстояния х от центра до края электрода L в интервале –L ≤ x ≤ L и с учетом фиксированных значений плотности тока j, потерь напряжения Uэл-т в электролите с удельным электросопротивлением Ƿэл в соответствии с заданным соотношением.

Способ получения силуминов с использованием аморфного микрокремнезема // 2754862

Изобретение относится к способу получения силуминов с использованием в качестве источника кремния аморфного микрокремнезёма. Способ включает использование в качестве кремниевой составляющей аморфного микрокремнезёма, полученного из пыли систем газоочистки электротермических печей, введение кремнийсодержащей шихты непосредственно в алюминиевый расплав, причем, вначале осуществляют предварительную подготовку кремнийсодержащей шихты, включающую перевод аморфного микрокремнезёма в кристаллическую фазу по реакциям в твёрдых фазах при температуре 800°С с использованием в качестве восстановителя мелкодисперсного алюминиевого порошка, затем производят внедрение подготовленной шихты в алюминиевый расплав под слоем низкомодульного криолита, который впоследствии сливается для повторного использования.

Способ получения алюминия электролизом суспензии глинозема в расплаве алюминия // 2745830

Изобретение относится к способу получения алюминия электролизом электролита в виде суспензии глинозема в расплаве алюминия. Способ включает пропускание в электролите электрического тока между катодом и нерасходуемым анодом, при этом создают расплав суспензии глинозема в расплаве алюминия в соотношении по глинозему 40-45 мас.

Способ получения алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов // 2742633

Изобретение относится к способу получения алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов. Способ включает приготовление электролита с соотношением плотностей электролита и алюминия более 1, корректировку состава электролита, подвод и отвод постоянного тока от вертикально расположенных в электролизере катода и анода, регулировку междуполюсного расстояния между электродами, при этом электролиз ведут с погружением твердого анода в верхний слой жидкого алюминия и частично в нижний слой расплава электролита, а междуполюсное расстояние между твердым анодом и жидким алюминиевым катодом регулируется высотой слоя алюминия.

Соединитель для механического и электрического соединения анода с анодной рамкой ячейки для производства алюминия // 2724774

Изобретение относится к соединителю для механического и электрического соединения анода с анодной рамой ячейки для производства алюминия методом огневого электролиза, оснащенной крепежными крюками, предназначенными для взаимодействия с соединителем. Соединитель для механического и электрического соединения анода с анодной рамой ячейки для производства алюминия огневым электролизом, при этом анодная рама оснащена крепежными крюками, предназначенными для взаимодействия с соединителем, содержащий два рычага в виде скоб или зажимов, шарнирно соединенных на общем стержне, соответствующие продолжения которого заходят внутрь упомянутых крюков, при этом упомянутые рычаги выполнены с возможностью приведения в действие в противоположных направлениях на уровне своих свободных концов при помощи стяжного винта с двумя зонами противоположного шага, взаимодействуя на уровне задних поперечин, соединяющих упомянутые свободные концы скоб, при этом нажимная поверхность соединителя, являющаяся зоной, предназначенной для взаимодействия с анодной штангой с обеспечением ее соединения с анодной рамой, образована двумя нажимными элементами, отличными от скоб или зажимов и от передних и задних поперечин, жестко соединяющих между собой упомянутые скобы или зажимы, и расположенными с двух сторон от стержня шарнирного соединения рычагов или зажимов, при этом нажимная поверхность каждого из двух нажимных элементов взаимодействует с шарниром, установленным на конце передних поперечин, соединяющих две скобы или зажима, образующих соединитель, причем каждый из нажимных элементов выполнен в виде двух ветвей по существу U-образной формы, при этом свободные концы ветвей соединены между собой пластиной, а основание U соединено с соответствующей нажимной поверхностью.

Горелка для дожигания анодных газов алюминиевого электролизера // 2724755

Изобретение относится к горелке для сжигания анодных газов, образующихся в процессе электролиза в электролизере для получения алюминия с самообжигающимся анодом. Горелка разделена на две части - нижнюю, включающую зону предварительного смешивания сжигаемых анодных газов с воздухом и первичную зону горения, представляющую собой блок стальных трубок, и верхнюю часть, в которой происходит интенсивное смешивание и окончательный дожиг анодных газов, при этом отношение диаметра d верхней части горелки к диаметру d1 ее нижней части составляет d:d1=1,4÷1,6:1, а отношение высоты Н верхней секции горелки к высоте h ее нижней секции составляет Н:h=2,0÷2,5=1, при этом стальные трубки в блоке по отношению к горизонтали размещены под углом 60÷70°, а отношение диаметра d1 нижней части горелки к диаметру d2 стальных трубок составляет d1:d2=4÷5:1, при этом на уровне верхней части блока стальных трубок расположен фланец, отношение диаметра d3 которого к диаметру d1 нижней части горелки составляет d3:d1=1,05÷1,1:1, отношение высоты h1 камеры, в которой расположен блок стальных трубок, к высоте h2 блока составляет h1:h2=1,02÷1,05:1, а отношение ширины b камеры размещения наклонных трубок к диаметру d1 нижней части горелки составляет b:d1=1,02÷1,05:1.

Способ экспресс-определения криолитового отношения и концентрации фторида калия в электролите при получении алюминия // 2717442

Изобретение относится к способу определения состава электролита, в частности криолитового отношения (КО) и концентрации фторида калия (KF) в электролите на основе термических измерений с целью управления процессом электролиза алюминия. Способ включает отбор и извлечение, по меньшей мере, трех образцов расплавленного электролита, охлаждение образцов, построение и анализ термических кривых охлаждения, в результате которого определяют величину КО для натриевых электролитов или концентрацию фторида калия для смешанных электролитов с последующим определением КО с учетом концентрации KF, при условии, что содержание опорных фаз не менее 5 мас.%.

Способ обжига подины алюминиевого электролизёра // 2717438

Изобретение относится к способу обжига подины алюминиевого электролизера с обожженными или инертными анодами. Способ включает покрытие подины электропроводным материалом, размещение на нем обожженных анодов, соединенных с анодными шинами анодной ошиновки электролизера, пропускание электрического тока через электропроводный материал и регулирование токовой нагрузки по анодам для обжига.

Способ электролиза криолитоглиноземных расплавов с применением твердых катодов // 2716569

Изобретение относится к способу электролиза криолитоглиноземных расплавов с применением твердых катодов. Способ включает корректировку состава электролита фторидами, хлоридами и оксидами натрия, калия, алюминия, бора и синтез коррозионностойких соединений на поверхности электрода, в котором дозирование борсодержащих компонентов и совместное с алюминием восстановление бора на поверхности твердых катодов осуществляют до его содержания в алюминии в пределах 0,0020÷0,0060 мас.%, а восстановление и поддержание химической и физической однородности поверхности катода осуществляют за счет взаимодействия бора с привнесенными и/или приобретенными примесями в составе катода.

Алюминиевый электролизер с утепленной бортовой футеровкой // 2714565

Изобретение относится к бортовой футеровке электролизера для электролитического получения алюминия. Электролизер включает металлический катодный кожух, теплоизоляционную и огнеупорную футеровку, подину, выполненную из подовых блоков с катодными токоподводящими стержнями, бортовую футеровку, выполненную из карбидкремниевых плит с дополнительным формованным огнеупорным слоем с более низкой теплопроводностью, установленным между стенками металлического катодного кожуха и карбидкремниевыми плитами.