Биполярный электролизер для получения алюминия

 

О П И С А Н И Е ()996И9

Союз Советскик

Социалистически»

Республик.К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6! ) Дополнительное к авт. санд-ву (5!)М. Кл.

С 25 С 3/06 (22) Заявлено 02.04.81 (21) 3269931/22-02 с присоединением заявки М (23)Приоритет

Гевударствев»м» кем»тат (53) УДК669.713..723.4

Опубликовано 15.02.83. Бюллетень М 6 ве Евам вза»рата»»»

Ъ и вткрмтий

Дата опубликования описания 17.02.83

° -, 49ppIor QJl06

В„ т „ ;=.- .-,,: (72) Авторы изобретения

Л.Е.Ивановский, Г. Ф.Казанцев, И.Г. Розанов и

Институт электрохимии Уральского научного центра АН СССР (7i) Заявитель (54) БИПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

I АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к электролнтическому получению легких металлов, в частности. алюминия электролизом рао-плавов галогенидов.

Известен биполярный электролиэер, имеющий камеру для обслуживания, отделенную разделительной перегородкой от рабочих ячеек с бнполярными электродами.

В камере имеются верхние и нижние каналы сообщения рабочего отделения с ячейками для обслуживайия (.1).

Известен электролизер, в котором нерабочие поверхности биполярных электродов покрыты огнеупорными изолирую щими материалами (2).

Известен также электролизер с горизонтальным расположением биполей и футеровкой иэ ннтридов и оксинитридов металла, стеклянной изоляцией вместе с обычными огнеупорами (3$ . 2о

Общие недостатки всех указанных вы-. ше биполярных электролизеров следующйе

Применение керамики для футеровки алек тролизера и изоляции боковых граней би2 полей, которая пропитывается электроли том, металлизируется и взаимодействует с электролитом. Кроме того, футеровка, выполненная иэ окислов, смеси окислов с ннтрндами, из стекла частично растворяется в галогенидах щелочных металлов

l и алюминия. Это приводит к преждевре менному разрушению футеровки ванны и анода, а также к загрязнению получаемого металла; Сложность внутреннего устройства электролизера эа счет футеровки, необходимости устройства рабочей каме- ры и камеры обслуживания, устройства каналов для сбора металла, экранировки боковых нерабочих граней электродов orae упорной кладкой, необходимости устройства каналов для циркуляции. Все это .приводит к увеличению трудозатрат .на устройство футеровки, повышенному расходу огнеупоров и солей (которые впиты» ваются в футеровку) и снижению срока службы электролиэеров, т.е. к высоким материальным и трудовым затратам на осуществление процесса.

3 996

Наиболее близким к изобретению техническим решением является биполярный электролизер для получения легких металлов. Электролизер выполнен в виде прямоугольной футерова иной ванны, в которой размещены однополярный анод, катод и биполярные электроды. Однополярные анод, катод установлены вертикально в торцах ванны, а вертикальные электроды-биполи равномерно размещены . 1о ио ее длине. Поверхность катодных чаотей биполей в 1,5-2 раза меньше поверхности анодных частей биполей. Часть поверхности катодных частей биполей изолирована огнеупорным кирпичом. По-.; 15 верхности катодных частей биполей выполнены со скосами по направлению к их анодным частям j4)

Основным недостатком данного электролизера является устройство футеровки 2О из огнеупорного кирпича для изоляции стенок электролизера и части поверхности катодных частей биполя. Устройство специального сборника или соорной ячейки усложняет конструкцию электролизера, . 2$ снижает надежность работы агрегата.

Применение футеровки из огнеупорного кирпича приводит к растворению окислов в алектролите, образованию шлама в алектролизере, потерям металла, сниже- ур нию его качества и усложнению работы электролизера. При пропитывании футеровки происходят потери электролита и для увеличения ее изоляционной способности необходимо делать. более толстую футе ровку.

Цель изобретения — упрощение конструкции алектролизера, улучшение качества металла и снижение аксплуатационных затрат на его получение.

Поставленная цель достигается в биполярном электролизере для получения алюминия, содержащем охлаждаемый корпус с крышкой, группу вертикальных электродов, включающую однополярные анод и катод и равномерно распределен

lS ные между ними биполи, который содержит две группы электродов, установленных так, что аноды обеих групп находят- ся в центре электролиэера, а катоды.- в его торцах, причем все вертикальные электроды подвешены на изоляционных вставках, установленных выше уровня гарнисажа.

В таком электролизере футеровка выполнвна иэ твердого электролита.

Кроме того, водоохлаждаемая крышка алектролизера выполнена с отверстиями над межанодным пространством.

519 4

На фиг. 1 показан биполярный алектролизер, продольный разрез; на фиг.2то же, вид сверху. со снятой крышкой; на фиг. 3 — график изменения толщины слоя гарнисажа от температуры стенки.

Злектролизер представляет собой прямоугольный металлический охлаждаомый снаружи кожух 1 (фиг.1 ),в котором установлены группы электродов, каждая из групп состоит из анода 2, катода 3 и одного или нескольких биполей 4. Обе группы расположены так, что аноды 2 расположены рядом, в центре электролизера, а катоды 3 - по противоположным торцам. Все электроды расположены так, что между боковыми стенками алектролизера и нерабочими боковыми гранями электродов находится зазор, который в рабочем состоянии заполнен твердым электролитом — гарнисажем 5. Гарнисажем покрыты дно и торцовые стенки алектролизера. Изоляция биполей осуществляется за счет того, что их боковые стенки вмораживаются в гарнисажную футеровку электролизера, которая формируется из рабочего электролита во время его наплавления. Нижние торцы электродов не достигают до дна электролизера, где образуется камера 6, для сбора металла, стекающего с вертикальных катодов. Рас стояние от торцов электродов до зеркала металла должно быть значительно больше, чем суммарная величина межполюсных зазоров между электродами в одной группе. На подине алектролизера возможна установка теплоизоляции иэ одного - двух слоев стекла, слоя шамотного кирпича и слоя силицированного графита, обшей толщиной 40-50 мм.

Перед пуском электролизера однополярные электроды устанавливаются на специ альных токоподводах 7, введенных сквозь стенки электролиэера и отдельных от них за счет изоляции иэ талькохлорита 8 и фторопласта 9. Биполярные алектроды под вешиваются на специальных изоляционных вставках из керамики или стекла 10.

Один конец таких вставок входит в углубление в аноде, а другой — опирается на выступ кожуха. Изоляционные вставки между однополярными электродами и стальными стенками электролизера равны по длине выступающюл из биполей изоляционным вставкам, чтобы расстояние от стенки до всех электродов было одинаковым. Оно должно быть s пределах

2-15 см в зависимости от . состава и размеров электролизеров.

В стенке электролизера с наружной стороны делают продольный паз 11, который закрывают сверху тонким стальным листом. В этот паз устанавливается термопара, которая показывает температуру S теплоотдающего листа. Токоподводы к однополярным электролизерам и изолято ры к биполям устанавливают на 5-25см выше уровня. расплава, покрывающего слой металла 12. В водоохлаждаемой крышке 13 электролизера вдоль поперечной оси предусмотрены отверстия 14 для загрузки хлористого алюминия, выливки металла, установки термопар и других целей (не менее 3-х). Они нахсьдятся над пространством между двумя анодами.

:3лектролизер работает следующим образом.

В металлический водоохлаждаемый электролизер с воздушной прослойкой (фиг. 1 и 2) устанавливают 2 группы электродов, заливают электролит, включают водяное охлаждение и выдерживают

3-5 мин пока у стенок образуется гарнисаж, заполняющий пространство между металлическими стенками и боковыми гранями электродов.

После образования ячеек электролизер 3а закрывают крышкой, включают устройство подачи хлористого алюминия и подают постоянный ток. Ток подводят к двум параллельно включенным анодам в центре электролизера и от них через электролит и биполи он расходится к торцовым катодам и далее на следующий электролизер. . Таким образом получается как бы два электролизера, соединенных по торцам в общем кожухе. В момент прохождения тока в каждой ячейке на анодных сторонах биполей и на однополярном аноде выделяется хлор, а на катоде и катодных сторонах биполей - металл. Хлор поднимаеъся вверх, увлекая электролит и перемешивая его, а металл стекает вниз и накапливается в копильнике электролизера ниже электродов. Восходящие потоки анодных газов заставляют электролит двигаться от торцов к середине, где идет загрузка хлористого алюминия, являющегося расходуемым материалов. Элек-. тролит обогащается АфСЗ и как более тяжелый растекается по дну электрола зера, далее подхваченный потоком вооходящих струй электролита перемешивается с остальным pacwasaM. Два одно полюсных электрода в пентре электро» лиэера создают наиболее благоприятные

519 4 условия для поддержания электролита в жидком состоянии и облегчения операции по обслуживанию электролизера.

По достижении определенного технологией количества металла ю подине электролнзера,он с помощью вакуум-ковша через отверстие 14 в крышке 13 удаляе ся нз электролизера. Хлор по мере образования по закрытому трубопроводу эвакуируется из электролизера. Температура стенки электролизера является указателем толщины гарнисажа. Согласно технологическим расчетам имеется одно» значная и весьма сильная связь между толщиной гарнисажа и температурой металлической стенки, отделяющей гарнисаж от воздушной прослойки К; = (f, ). Это позволяет использовать тем&ФФ пературу 1 как показатель для оценки и регулирования пристеночного слоя затвердевшего электролита (фиг. 3). Так при температуре электролита 720 С и толщине гарнисажа 80 мм температура теплоотдающего листа на границе с воз душной прослойкой равна 340 С. Повыше о ние рабочей температуры на 50 С приводит к повышению температуры теплоотдающего листа до 390 С и снижению. о толщины гарнисажа до 50 мм. Чтобы определить необходимую толщину гарнисажа, зазор между электродами и металлической стенкой выбирают в соответствии с фиг. 3 и подвешивают однополярные электроды на специальных водоохлаждаемых токоподводах. Биполярные электроды подвешены на изоляторах, имеющих длину равную зазору, определенному по фиг. 3. Во избежание разрушения токоподводов и изоляторов электролитом их устанавливают на 5-25 см выше уровня расплава. Эта величию диктуешься колебаниями уровня металла 12 иа подине, а вместе с ним и верхней границы элек- тролита в период между двумя выпивками металла из электролизера.

Пример 1. В электролизере ла бораторного типа из нержавеющей стали с водоохлаждаемыми стенками устанавливают три электрода из графиФа; Электролизер имеет прямоугольную форму с размерами 160 ° 120 ° 180. Крайние электроды (однополярные) подключаются к сети постоянного тока, средний — биполярный - не подключен. В процессе наплавления электролитна образовывается бортовой гарнисаж у водоохлаждаемых стенок и дна электролизера.Толщина гариисажа колеблется от 1,5 qo 3 см.Боковые грани

Ишолярного электрода вмерзают s гарни7 9965 саж и обраэовываются две ячейки, одна сторона биполя анодом в одной ячейке,— а другая — катодом второй ячейки. Под биполем ячейки соединяются между собой через расплав. Площадь анодной стороны биполя равна 163 см, катодной — 80 см, отношение площадей 2:1. Ток проходит от анода через расплав на катодную часть биполярного алектрода, затем через алек трод на анодную часть биполярного апек- и трода снова через электролит на катод.

Металл с катода и катодной стороны биполярного электрода собирается на дне электролиэера. Вследствие ограниченного размера пространства под электродами час)ь тока огибает биполь и проходит че-, рез металл, он является как бы вторым биполем. При этом часть металла растворяется. В промышленном электролизере расстояние от нижних концов электродов 20 должно быть значительно. больше расстояния между алектродами. В качестве алектролита берут смесь солей, мас.%: N0CB

80; A@F8,9; ASCP 10,1. Расходуемым компонентом является ACCT> в количест-is ве 5-15 мас.% расплавленного электролита, который загружают порциями по

100 r через каждые 10 мин, чтобы поддерживать такую концентрацию.

На алектролизере поддерживается сила р тока 200 А, напряжение 12,5««13 В. Пропускается 550 А/ч, температура процесса 720«750 С. Получается 160 т алюминия или 43% от теоретического при работе двух последовательно соединенных з

35 ячеек. Качество металла следующее (% примесей по массе):Fe 0,21; Си 0,0070,013; Si 0,15-0,25, т.e. алюминий марок А-5, А-7.

П р н м е р 2. Расположение и размеры и условия аналогичны предыдущему.

Соотношения площадей катодной и анодной стороны биполярного электрода 2,3: 1 °

Температура электролита 720 С, расстояние между алектродами 23 мм. Пропус45 кается 293 А/ч при средней силе тока

200 А. Напряжение на алектролизере

10,5-12,5 В. Получается 100 r алюминия или 51,5% от теоретического количества иэ расчета последовательной ра,боты двух ячеек.

Пример 3. Герметичный стальной алектролизер (фиг.1 и 2), имеющий внутренние размеры 730 360 ° -720 мм водяное охлаждение, воздушную рубашку

И

2 катода, установленные по торцам, 2 анода, расположенные s центре и по 2 биполя между катодами a:àíîäëìè. Ра стояние от боковых граней электродов

19 8 до стальной стенки составляет 22-25 мм

Аноды подвешены каждый на 2-х соосно расположенны х охлаждаемых токоподводах

) а катод на одном, введенном с торца.

Расстояние между соседними электродами составляет. 14-16 мм. Биполярные электроды поддерживаются на фарфоровых вставках, одним концом входящих в углуб пения в электроде, а вторым опирающихся на заплечики, приваренные к кожуху.

В нижней части электролизера находился копильник металла. B боковых торцовых стенках и днище металла установливаются термопары. Через отверстия в водоохлаждаемой крышке электролизера опускается термопара в расплав электролита.

Во время наплавления алектролнта на днище и стенках электролизера образовывается гарнисаж из твердого непроводящего ток электролита, толщина гарнисажа зависит от температуры расплава. Со)-тав расплава следующий, вес.%: g CC80;

AgC0 9,0; QOF 11. При нагрузке на алектролизер 1000 А (переменного тока) температура расплава 720 С, толщина гарнисажа 40 мм, температура теплоотдающего лис а (средняя), С: боковых стенок 410, торца 405, днища 350.

Пробоя гарнисажа во время работы в течение суток не обнаружено. Электролиз не проводится, так как в данном опыте исследуют условия формирования и удержания гарнисажа.

Применение герметичного гарнисажного. биполярного электролнзера позволяет отказаться от керамической футеровки стенок электролизера, снижает содержание окислов в электролите, улучшает качество металла, снижает возможность окисления электродов и удлиняет их срок службы. Применение электродов с подводом тока выше уровня электролита по водоохлаждаемым токоподводам предохраняет узел подвода тока от воздействия электролита и снижает сопротивление алектродов. Так в холостом опыте при силе тока 900 А падение напряжения в токоподводах составляет менее 2-х В, а при наплавленном алектролите — 8 В. Исьпольэование термопары в стенке электролизера позволяет постоянно контролировать толщину гарнисажа, а возможно и автоматизировать этот процесс за счет изменения количества охлаждаемой воды или регулирования силы тока. Расположение 2-х групп алектродов в одном корпусе и параллельная установка двух анодов в центре электролизера создают

996519 лучшие возможности цля обслуживания электролизера (загрузки и растворения

Д((;Е, выливки металла, замера уровня металла, электролита, измерения температуры). S

Формула изобретения

1. Биполярный электролнзер для получения алЮминия, содержащий охлаждаемый корпус с крышкой, группу вертикаль ных электродов, включающую однополярные анод и катод и равномерно распределенные между ними биполи, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью упро щения конструкции, повышения качества получаемого металла и снижения материальных и трудовых затрат на обслуживание, он содержит две группы электродов, 20 установленных так, что аноды обеих групп расположены в центре электролнзера, а катоды — в его торцах, причем все вертикальные электроды подвешены на изоляционных вставках, установленных выше уровня гарнисажа.

2. Электролизер по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что футеровка электрсьлизера выполнена из твердого электролита.

3. Электролизер по пп. 1 и 2, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения удобства обслуживания, водо охлаждаемая крышка электролизера выполнена с отверстиями над межанодным пространством.

И сточники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 605864, кл. С 25 С 3/08,. 1976.. 2. Авторское свидетельство СССР № 623908, кл. С 25 С 3/08, 1977.

3. Патент ClIlA ¹ 3785941, кл. 204-67, 1974.

4. Авторское свидетельство СССР

¹ 594213, кл. С 25 С .3/08, 7/00, 1 975.

Теепералура, С

Рич.3

Составитель А. Костин .Редактор Т, Парфенова Техред А.Бабннец Корректор N. Демчик

Заказ 855/41 Тираж 641 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4