МНОГОЯЧЕИСТЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР С БИПОЛЯРНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ (ЭЛЕКТРОЛИЗЕР КИРКО - ПОЛЯКОВА) Российский патент 2006 года по МПК C25C3/06 

Изобретение относится к электрометаллургии алюминия вообще и к устройствам, у которых в пространстве электролизной ванны находятся последовательно соединенные друг с другом электролизные ячейки, причем каждый электрод такой ячейки за исключением подсоединенных к питающим шинам является биполярным, то есть заодно играет роль катода и анода в двух соседних межполюсных промежутках (МПР).

Известна конструкция электролизера, в котором биполярные электроды представляют собой горизонтально расположенные плоские графитовые сосуды, заполняемые получаемым при электролизе жидким металлом, служащим катодной стороной электрода, а графитовая поверхность внизу сосуда - анодом [1]. Из таких электродов, отделенных друг от друга межполюсным расстоянием, образуются стопы, заполненные электролитом, из N электролизных ячеек. Это приводит к сокращению рабочего тока в N раз по сравнению с обычным электролизером с одинарным межполюсным пространством той же производительности и к уменьшению электрических потерь во внешней цепи.

Недостатком конструкции-аналога является увеличение в процессе электролиза межполюсного пространства в связи с окислением и разрушением анодной поверхности электродов, то есть "потолков" в межполюсном пространстве, и увеличение электрических потерь на единицу веса полученного алюминия, а также необходимость более частой замены электродов, чем в идентичных конструкциях электролизеров Эру-Холла.

Прототипом предлагаемого изобретения является многоячеистый электролизер с биполярными электродами для получения алюминия [2], оборудованный почти вертикально установленными углеродистыми электродами, подвешенными или поддерживаемыми при помощи деталей, электроизолированных от электролизера и прикрепленных пластинами, инертными к электролиту.

Эта конструкция по сравнению с аналогом [1] имеет преимущество, так как делает доступными для демонтажа все биполярные электроды в отдельности, а наличие некоторого наклона поверхности позволяет путем вертикального перемещения электродов друг относительно друга поддерживать постоянным межполюсное расстояние в электролизном пространстве. Ее преимуществом является также возможность организовать направленную циркуляцию электролита и сепарировать алюминий в сборные ячейки, увеличить производительность, уменьшить удельный расход электроэнергии и повысить экологическую чистоту аппарата.

Недостатком прототипа является большая по сравнению с электролизерами Эру-Холла плотность выделения джоулева тепла и неоднородность температур, препятствующие созданию более мощных электролизеров, а также существенное в этой конструкции явление неоднородного срабатывания электродов. Таким образом, биполярный электролизер прототипа [2], в вариациях отраженный в [3, 4] - это устройство, в целом, с меньшей единичной мощностью по сравнению с существующими электролизерами Эру-Холла на современных заводах. Испытание для схемы прототипа в качестве материала для биполярных электродов современных материалов, например керметов, подтвердило явление интенсивного разрушения последних по краям электродных пластин, объясняемое явлениями электрического переноса в достаточно сильном электрическом поле в краевой зоне [6-8].

Задачей создания изобретения является уменьшение напряженности электрического поля в краевой зоне электродов настолько, чтобы падение потенциала по краю пластин было меньше контактной разности потенциалов, т.е. чтобы "паразитный электролиз" на краю пластин был невозможен при сохранении известного преимущества электролизеров с биполярными электродами - значительное уменьшение расхода электроэнергии на килограмм полученного алюминия, создание режима однородного забора тепла в объеме, где происходит электролиз.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как многоячеистый электролизер для получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, включает ванну, футерованную огнеупорными материалами, монополярные и установленные почти вертикально биполярные электроды, закрепленные при помощи деталей, электроизолированных от электролизера, и отличительных существенных признаков, таких как биполярный электрод выполнен из катодных и анодных пластин, соединенных между собой токопроводящими перемычками с образованием вертикального канала, заполненного электролитом, а длина и общее сечение перемычек является достаточным для предотвращения электролиза в вышеупомянутом вертикальном канале между катодной и анодной пластинами биполярного электрода, и каждый второй биполярный электрод закреплен на регулировочных винтах с возможностью вертикального перемещения, при этом поверхности катодной и анодной пластины отклонены от вертикали так, что подвижный биполярный электрод выполнен с сужением к низу ванны, а неподвижный биполярный электрод - с расширением к низу ванны, при этом под ванной электролизера размещен магнитопровод в виде перевернутой буквы "П", связанный с шинопроводом электролизера или с дополнительным источником постоянного тока, а ванна выполнена с углублением по центру, соединенным с трубопроводом для вывода расплава алюминия, причем в нижней части трубопровода установлен электромагнитный насос. Особенность выполнения анодных и катодных пластин нашла отражение в пункте 2 формулы-изобретения, а именно анодные пластины выполнены из электропроводных материалов, стойких к воздействию электролита алюминиевого электролизера, например кермета, катодные пластины и перемычки между анодными и катодными пластинами выполнены из конструкционного электропроводящего материала, например биметаллической стали, и расположены вне электролита, а конструкционная сталь ванны используется как часть магнитопровода.

Конструкция крышки электролизера нашла отражение в пункте 3 формулы изобретения, а именно ванна снабжена крышкой, в которую установлена система тепловых трубок, нижние концы которых находятся в надэлектродном пространстве вне электролита, а верхние входят в трубу с циркулирующим теплоносителем.

Указанные выше отличительные признаки в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными, обеспечивает решение поставленной задачи, является не очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации.

Для достижения вышеуказанной задачи в конструкции используется внутренняя циркуляция самого электролита при помощи МГД-взаимодействия с магнитным полем самого электролизера с одновременной ускоренной эвакуацией капель расплавленного алюминия в трубопровод транспортировки в миксер-накопитель, а внешний забор тепловой энергии осуществляется при низкой энтропийности, т.е. при высокой потребительской стоимости тепла, например при помощи тепловых трубок с МГД- управлением. Биполярный электрод заменяется биполярным элементом, состоящим из керметового анода и графитового катода, соединенных друг с другом перемычками с образованием вертикальных каналов или пространства, свободно заполняемого электролитом. Условием для выбора длины и сечения перемычки, соединяющей анод и катод, является условие, при котором падение потенциала вдоль рабочего тока меньше напряжения поляризации электролиза, то есть, другими словами, в этом промежутке электролиз не должен происходить, а движение электролита в вертикальном направлении будет свободным, что имеет большое значения для равномерного отвода тепла и для равномерного распределения глинозема, вводимого в электролит.

Электрический ток в устройстве имеет горизонтальное направление и переходит последовательно от одной зоны электролиза анод - катод к другой, тем самым удельные потери энергии на джоулево тепло в ошиновке уменьшается, в междуполюсном промежутке нет больше расплавленного катода из алюминия, как в электролизерах Эру-Холла, следовательно, нет явлений МГД-неустойчивости МПР. В предлагаемом устройстве может быть значительно снижено общее электрическое сопротивление за счет уменьшения слоя проводника с проводимостью на порядок ниже всех остальных в рабочей цепи. Большой горизонтальный рабочий ток создает в электролите циркуляцию магнитного поля, которая благодаря массивному корпусу из магнитно-мягкого материала из стали обыкновенного качества образует однородное горизонтальное магнитное поле, а весь электролизер можно рассматривать как большой кондукционный электромагнитный насос с направлением силы Ампера вниз и с превышением этой силы внутри капель алюминия почти в два раза.

Для разделения электролита и алюминия в трубопроводе забора алюминия предусмотрен электромагнитный насос, подающий алюминий на заданную высоту в миксер литейного участка.

Сущность изобретения представлена на следующих фигурах

Фиг.1 - электролизер для получения алюминия с биполярными электродами (продольный разрез).

Фиг.2. - поперечный разрез через область электролиза и действия МГД-сил вниз (стрелками показано направление движения электролита).

Фиг.3 - поперечный разрез через область возвратного движения электролита и ввода глинозема (электролиз в этой области не происходит, стрелками показано направление движения электролита).

Фиг.4 - схема действия сил на капли алюминия и газовые пузыри в области, где происходит электролиз.

На фигурах введены обозначения:

1 - шинопровод, 2 - монополярные электроды, 3 - электролит, 4 - катодная пластина из графита биполярного электрода, 5 - перемычка, 6 - анодная пластина из кермета биполярного электрода, 7 - труба с циркулирующим теплоносителем, 8 - тепловая труба, 9 - крышка ванны, 10 - каналы, где идет электролиз, 11 - расплав алюминия, 12 - ванна, 13 - магнитопровод, 14 - электромагнитный насос, 15 - гарнисаж, 16 - газовый пузырь, 17 - капля алюминиевого расплава, F_apx - сила Архимеда, действующая вверх на образующиеся анодные газы в пространстве между анодной и катодной пластинами биполярного электрода, F_el - электромагнитная сила (МГД-сила), действующая вниз на каплю алюминиевого расплава в том же пространстве между анодной и катодной пластинами биполярного электрода.

Основой предлагаемого электролизера являются биполярные электроды (Фиг.1), состоящие из параллельно расположенных катодных пластин 4 из графита и анодных пластин 6 из кермета, соединенных проводящими мостиками-перемычками 5, по которым течет ток I. Каждая подобная ячейка отделена от соседней каналом 10, в которой нет перемычек 5 и в которой идет электролиз. В ней образуются капли расплава алюминия 17 и пузырьки 16 анодного газа. Электромагнитные силы F_el взаимодействия тока и внешнего магнитного поля направлены вниз, а сила Архимеда F_apx, действующая на газовые пузырьки, - вверх. В целом электролит 3 движется в канале 10 вниз. (Движение электролита показано стрелками.)

На фигурах 2 и 3 показан поперечный разрез электролизера и биполярные электроды, состоящие из параллельно расположенных катодных пластин 4 из графита и анодных пластин 6 из кермета, соединенных проводящими мостиками-перемычками 5, по которым течет ток I. Горизонтальный рабочий ток, текущий в электролизере, замыкается на шинопровод 1, который вместе с рабочим током образует намагничивающий виток для магнитопровода 13. В варианте предлагаемого устройства в целях усиления магнитного поля шинопровод 1 может делать несколько оборотов вокруг магнитопровода 13, укладываясь также в промежутке между керамическим дном электролизной ванны 12 и магнитопроводом 13. В верхней части электролизной ванны 12 предполагается установить загрузочное устройство для сырья (глинозема) согласно патента [5], не показанное на иллюстрациях. Утилизация джоулева тепла ванны осуществляется при помощи тепловых труб 8, которые соединены с трубой с циркулирующим теплоносителем 7. Для тепловых труб 8, работающих в интервале температур 800-960°С, целесообразно применение в качестве теплоносителей щелочных жидких металлов (Na, К, Li), что также позволит применить разработанные в свое время Институтом физики АН Латв. ССР тепловые трубы с МГД-регулировкой производительности.

Изображенное на фигурах 1, 2, 3 устройство действует следующим образом.

В электролизной ванне 12 прямоугольного типа залит электролит 3 и на дне находится слой жидкого алюминия 11. Гидростатическое давление жидких сред компенсируется электромагнитным насосом 14, перепад давления в котором поддерживается равным такому, чтобы верхний уровень электролита 3, то есть граница электролит - анодные газы, образовывал свободную полость под крышкой электролизной ванны 12. В электролизную ванну 12 загружаются, используя специальные выступы в нижней части ванны, на фигурах не показанные, биполярные электроды, состоящие из параллельно расположенных катодных пластин 4 и анодных пластин 6, соединенных проводящими мостиками-перемычками 5, по которым течет ток I. Электрическое сопротивление параллельно включенных проводящих перемычек 5 выбрано так, что падение напряжения на них удовлетворяет неравенству , где r - электрическое сопротивление проводящей k перемычки 5, k - число перемычек, I₀ - рабочий ток электролизера, Е_пол - напряжение поляризации, то есть ЭДС гальванического элемента кермет-электролит-графит, направленная против рабочего тока I₀. Это условие обеспечивает отсутствие явлений электролиза электролита в том промежутке, где находятся проводящие перемычки 5, а также на порядок уменьшает краевые токи вокруг биполярного электрода. Таким образом, в целом, происходит управляемое конвективное движение, направленное в канале 10 вниз под действием сил Ампера F_e1, образованными рабочим током и внешним магнитным полем от внешнего магнитопровода 13. Причем эта сила, действующая на капли алюминиевого расплава 17, примерно в два раза больше, чем сила, действующая на электролит - j₀·B. Здесь j₀ - плотность рабочего тока, а В - индукция магнитного поля. Пузырьки 16 анодных газов, образующиеся в канале 10, в межполюсном пространстве (МПР) будут испытывать с одной стороны силу Архимеда, образованную гидростатической и электромагнитной силами, где а - радиус пузырька, g - ускорение силы тяжести, δ_el - плотность электролита, а с другой стороны, силу Стокса, увлекающей эти пузырьки вниз, F_Стокс=6πaVη, где η - вязкость электролита. Таким образом, в МПР образуется два весьма выгодных движения газовых пузырьков, определяемые их критическим размером при котором пузырек как бы зависает относительно системы координат, связанной с корпусом электролизной ванны. В начале образования пузырька 16 анодных газов, когда его радиус меньше критического радиуса а_кр, пузырек 16 увлекается движением электролита 3 вниз, а при достаточном росте, когда его размер будет больше критического радиуса, всплывает вверх, захватывая на своем пути более мелкие пузырьки. Отбор джоулева тепла в электролите 3 выгоднее всего произвести сверху в его слое над пакетом электродов. При этом тепловая конвекция между МПР и пространством в биполярном электроде будет усиливать вышеописанную конвекцию за счет электромагнитных сил [9, 10]. С точки зрения термодинамики и условий утилизации джоулева тепла в предлагаемой конструкции верхний слой электролита, то есть слой над пакетом биполярных электродов, является самым выгодным. Поэтому в крышке 9 ванны 12 предлагается разместить систему тепловых трубок 8 с теплоносителем из щелочных металлов (Na, К, Li). Преимуществом такого типа отбора тепла является малый вес и надежность, а также возможность управления интенсивностью теплоотвода МГД-методами. Такой способ отбора тепла, кроме его низкой энтропийности, то есть технологической ценности, имеет преимущество в виде сокращения теплоотвода через боковые стенки ванны 12. В проекте целесообразно поднять температуру магнитопровода 13 примерно до 600°С, то есть ниже точки Кюри стали обыкновенного качества. Целесообразно разместить слой изоляции снаружи магнитопровода 13, на фигурах не показанный.

В конструкции ввод сырья (глинозема и др.) предполагается проводить через верхнюю крышку 9, например по патенту [5]. Размещение транспортера последнего рядом с теплоносителем может быть использовано для предварительного подогрева последнего в целях экономии энергии.

В качестве примера описанной конструкции приводим выписки из программы конструктивного расчета электролизера для получения алюминия с биполярными электродами, эквивалентного по производительности электролизеру Эру-Холла (I₀=150кА), составленной применительно к испытанным в НИФТИ Кр.ГУ пластинам из кермета

1Состав кермета47% NiFe₂О₄, 36% Fe₃O₄, 3%Cu,4%Ni2Размеры керметовых пластин250×240 мм²3Число пластин на аноде254Производительность по алюминию в час.M_alHrΣ=46.3 кг/час5Число биполярных элементовNi=56Капиллярная постоянная расплава алюминия в электролитеa КАР=1,3 см7Межполюсное расстояниеМПР=1,5 см8Тепловая мощность аппаратаPap_i=23,8 кВт9Рабочий ток, "суммарный ток", т.е. произведение рабочего тока на число последовательно соединенных ячеек.I₀=36 кА,
Ni I₀=180 кА10Суммарная ЭДС поляризацииЕ_пол=8,25В11Длина активной части ванны1,533 м12Ширина и высота ванны1,50 м×1,50 м13Выход алюминия в кг на Джоуль2,44·10^-8 c²м^-214Выход алюминия в кг на Джоуль в лучших существующих аппаратах Эру-Холла1,83·10^-8 с²м^-215Относительный выход в процентах по отношению к выходу в существующих аппаратах133%16Среднее магнитное поле в электролизереВ=0,016 Тесл17Средняя скорость электролита в МПР1,42 м/с18Число Рейнольдса (течение в МПР турбулентное, способствующее отрыву газовых пузырьков и выравниванию температур и концентрации глинозема)Re=1,5·10⁷19Перекосы температуры в ванне1,2 К

Вышеприведенный конкретный пример свидетельствует о промышленной применимости предлагаемого технического решения.

Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Источники информации

1. US Pat. 3554893 Janv.12, 1971/ US C1. 204-244 "Electrolytic furnaces having multiple cells formed of horizontal dipolar carbon electrodes" Giuseppe de Varda, Milan, Italy. Montecatiny Edison S.p.A.

2. А.с. 199781, C 25 C 3/08 от 13.07.1967, БИ №15 "Многоячеистый электролизер с биполярными электродами для получения алюминия", Дж. Де Варда, Дж. Олах де Гараб.

3. А.с. 225105, С 25 С 3/08 "Многоячеистый электролизер с биполярными электродами для получения алюминия" Дж. Олах де Гараб, Дж. Де Варда.

4. А.с. 314361, С 25 С 3/08 от 06.03.1972 "Многоячеистый электролизер для получения алюминия", Джузеппе Де Варда.

5. А.с. 629248, М.Кл.² C 25 C 3/08, Зуев Н.М., Мельникова Г.В., Шарунова Г.М., Ладария О.В. "Электролизер с биполярными электродами для получения алюминия".

6. В.А.Блинов, Л.А.Исаева, А.М.Курмангалеева, П.В.Поляков, М.М.Шарафутдинов, С.А.Щербинин. "Математическое моделирование тепловых и электрических полей в алюминиевом электролизере с биполярными электродами". Цветные металлы, 1993 г., №1, с.31-34.

7. Патент RU 2106431 "Шихта для изготовления инертных анодов", Иванов В.В., Иванов Вл.Вл., Поляков П.В., Блинов В.А., Кирко В.И., Савинов В.И.

8. Патент RU 2108204 "Способ изготовления несгораемых анодов", Иванов В.В., Иванов Вл.Вл., Поляков П.В., Блинов В.А., Кирко В.И., Савинов В.И.

8. Минцис М.Я., Поляков П.В., Сиразутдинов Г.А. "Электрометаллургия алюминия", Новосибирск, Наука, 2001, 368 С.

9. Блинов В.А., Исаева Л.А., Курмангалаева А.М., Поляков П.В., Шарафутдинов М.М., Щербинин С.А. Математическое моделирование тепловых и электрических полей в алюминиевом электролизере с биполярными электродами - Цветные металлы, 1993, №1, стр.31-34.

10. Щербинин С.А., Исаева Л.А., Поляков П.В., Блинов В.А. Математическая модель тепловых и электромагнитных процессов для проектирования алюминиевого электролизера с биполярными электродами. Электрохимия, 1994, т.30. №10, стр.1217-1222.

Изобретение относится к конструкции электролизера для получения алюминия. Многоячеистый электролизер для получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава содержит ванну, футерованную огнеупорными материалами, монополярные и установленные почти вертикально биполярные электроды, закрепленные при помощи деталей, электроизолированных от электролизера, биполярный электрод выполнен из катодных и анодных пластин, соединенных между собой токопроводящими перемычками с образованием вертикального канала, заполненного электролитом, а длина и общее сечение перемычек являются достаточными для предотвращения электролиза в вышеупомянутом вертикальном канале между катодной и анодной пластинами биполярного электрода, и каждый второй биполярный электрод закреплен на регулировочных винтах с возможностью вертикального перемещения, при этом поверхности катодной и анодной пластины отклонены от вертикали так, что подвижный биполярный электрод выполнен с сужением к низу ванны, а неподвижный биполярный электрод - с расширением к низу ванны, под ванной электролизера размещен магнитопровод в виде перевернутой буквы "П", связанный с шинопроводом электролизера или с дополнительным источником постоянного тока, а ванна выполнена с углублением по центру, соединенным с трубопроводом для вывода расплава алюминия, причем в нижней части трубопровода установлен электромагнитный насос, анодные пластины выполнены из электропроводных материалов, стойких к воздействию электролита. Изобретение обеспечивает ликвидацию явления краевых разрушений биполярных электродов, снижение расхода электроэнергии в джоулях. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Многоячеистый электролизер для получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, включающий ванну, футерованную огнеупорными материалами, монополярные и установленные почти вертикально биполярные электроды, закрепленные при помощи деталей, электроизолированных от электролизера, отличающийся тем, что биполярный электрод выполнен из катодных и анодных пластин, соединенных между собой токопроводящими перемычками с образованием вертикального канала, заполненного электролитом, а длина и общее сечение перемычек являются достаточными для предотвращения электролиза в вышеупомянутом вертикальном канале между катодной и анодной пластинами биполярного электрода и каждый второй биполярный электрод закреплен на регулировочных винтах с возможностью вертикального перемещения, при этом поверхности катодной и анодной пластин отклонены от вертикали так, что подвижный биполярный электрод выполнен с сужением книзу ванны, а неподвижный биполярный электрод - с расширением книзу ванны, под ванной электролизера размещен магнитопровод в виде перевернутой буквы "П", связанный с шинопроводом электролизера или с дополнительным источником постоянного тока, а ванна выполнена с углублением по центру, соединенным с трубопроводом для вывода расплава алюминия, причем в нижней части трубопровода установлен электромагнитный насос.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анодные пластины выполнены из электропроводных материалов, стойких к воздействию электролита алюминиевого электролизера, например кермета, катодные пластины и перемычки между анодными и катодными пластинами выполнены из конструкционного электропроводящего материала, например биметаллической стали, и расположены вне электролита, а конструкционная сталь ванны используется как часть магнитопровода.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ванна снабжена крышкой, в которую установлена система тепловых трубок, нижние концы которых находятся в надэлектродном пространстве вне электролита, а верхние входят в трубу с циркулирующим теплоносителем.