ЭЛЕКТРОЛИЗЕР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2017 года по МПК C25C3/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к электролизеру, используемому для получения алюминия.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Алюминий производят в промышленности из глинозема электролизом по способу Холла-Эру. Для этого предусмотрен электролизер, состоящий, в частности, из стального кожуха, внутренней огнеупорной футеровки и катода на основе катодных блоков из углеродистого материала, соединенного с проводниками, предназначенными для проведения тока электролиза. Электролизер содержит также электролитическую ванну, в состав которой входит, в частности, криолит, в котором растворен глинозем.

Способ Холла-Эру заключается в частичном погружении углеродного блока, образующего анод, в эту электролитическую ванну, причем анод расходуется по мере протекания реакции. Обычно предусматриваются средства привода для опускания анода по мере его расходования в электролизер. На подине электролизера образуется слой жидкого алюминия, извлекаемый путем отсасывания или откачивания.

Производство алюминия по способу Холла-Эру осуществляется при поддержании определенного теплового равновесия в электролизере. Тепловое равновесие становится возможным благодаря компенсации потерь тепла из электролизера теплом, выделяющимся в электролизере (обеспечиваемым в основном током электролиза).

Кроме того, электролизер обычно устроен так, чтобы обеспечивать образование настыли застывшего криолита на его внутренних боковых стенках. Эта настыль позволяет защитить материалы, покрывающие внутренние боковые стенки электролизера, от коррозии под действием жидкого алюминия и электролитической ванны.

Чтобы обеспечивать образование такой настыли в электролизере, известно обеспечение отвода потока тепла вбок на уровне верхней части боковых стенок электролизера благодаря используемым материалам и схеме сборки компонентов боковых стенок электролизера, или же, при необходимости, с помощью продувки воздухом, что известно из патента US 6251237.

Однако к этому желательному тепловому потоку обычно вынужденно добавляются выходящие тепловые потоки. Это, например, соответствует случаю теплового потока, выходящего из электролизера через проводники, которыми оснащен катод. Это влечет тепловые потери, усложняя поддержание теплового равновесия в электролизерах.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить все или часть упомянутых выше недостатков, предложив электролизер для получения алюминия с улучшенной теплоизоляцией.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С этой целью объектом настоящего изобретения является электролизер, предназначенный для применения в производстве алюминия электролизом, содержащий:

(i) кожух, снабженный нижней стенкой и боковой стенкой,

(ii) катод, установленный на нижней стенке, и

(iii) средства проведения электрического тока, соединенные с катодом в его нижней части и предназначенные для проведения тока электролиза от одного электролизера к другому,

отличающийся тем, что средства проведения электрического тока проходят через боковую стенку кожуха на высоте зоны между верхней поверхностью катода и верхним краем боковой стенки кожуха.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает электролизер с улучшенной теплоизоляцией. Тепловые потери снижены по сравнению с известными электролизерами. Кроме того, тепловые потери электролизера по изобретению контролируют так, чтобы обеспечивать образование настыли для защиты материалов боковых стенок электролизера. Действительно, для этой цели поток тепла отводится на уровне жидкостей, содержащихся внутри кожуха.

Более конкретно, катод образован из катодных блоков, в частности, из углеродистого материала.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, катодные блоки содержат по меньшей мере один паз в своей нижней части, и средство проведения электрического тока расположено внутри этого паза. Хорошее физическое и электрическое соединение в пазу между катодным блоком и средством проведения электрического тока реализовано с помощью заливки чугуном.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока проходят через боковую стенку кожуха на высоте зоны, находящейся между нижним и верхним уровнями электролитической ванны.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока проходят через боковую стенку кожуха на высоте нижнего уровня электролитической ванны, то есть на границе раздела между электролитической ванной и слоем алюминия.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока включают первую часть, находящуюся в контакте с катодом, и вторую часть, соединенную с первой частью и проходящую снизу вверх внутри кожуха.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, вторая часть является по существу вертикальной.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока имеют по меньшей мере один конец, соединенный со второй частью и проходящий через боковую стенку кожуха.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, конец является по существу горизонтальным.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, первая часть, находящаяся в контакте с катодом, выполнена из стали или из стали и меди.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока выполнены из стали, из меди или из стали и меди.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, по меньшей мере часть второй части средств проведения электрического тока выполнена из меди.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, по меньшей мере часть конца выполнена из меди.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока содержат стержень.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, средства проведения электрического тока содержат пластину.

Под пластиной понимается любой элемент, один размер которого (толщина) является пренебрежимо малым по сравнению с двумя другими, чтобы обеспечивать, в частности, увеличение поверхности теплообмена и/или уменьшение габаритов.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, по меньшей мере часть второй части средств проведения электрического тока является пластиной.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, пластина проходит сбоку за первой частью.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, пластина электрически соединена с по меньшей мере двумя первыми частями.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, пластина соединена с разным числом первых частей и концов.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, пластина проходит снизу вверх за концом.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, вторая часть электрически изолирована от материалов внутренней футеровки кожуха.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, вторая часть электрически изолирована от материалов внутренней футеровки кожуха бетоном.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, кожух футерован изнутри блоками из огнеупорных материалов.

Согласно другой характеристике электролизера по изобретению, кожух содержит теплоизолятор, размещенный между второй частью средств проведения электрического тока и боковой стенкой кожуха.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение станет более понятным благодаря подробному описанию, излагаемому ниже с обращением к приложенным чертежам, на которых:

- фиг. 1 является видом в разрезе электролизера согласно уровню техники,

- фиг. 2 схематически показывает известный электролизер, указывая основные выходящие потоки тепла,

- фиг. 3 является схематическим изображением электролизера по одному частному варианту осуществления изобретения,

- фиг. 4 показывает вид в перспективе средств проведения тока электролиза, соответствующих уровню техники,

- фиг. 5 и 6 являются изображениями в перспективе средств проведения тока электролиза, используемых в электролизере по одному частному варианту осуществления изобретения,

- фиг. 7 показывает схематический вид электролизера по одному частному варианту осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ Фиг. 1 показывает электролизер 1, позволяющий получать алюминий из глинозема. Электролизер 1 содержит металлический кожух 2. Металлический кожух 2 может быть выполнен из стали. Он имеет нижнюю стенку 2а (днище) и боковые стенки 2b (борта). В кожухе 2 находится электролитическая ванна 8 (электролит). В ходе реакции образуется слой 13 жидкого алюминия. Электролитическая ванна 8 и слой 13 жидкого алюминия являются жидкостями, присущими производству алюминия электролизом.

Кожух 2 содержит блоки 3, 4, выполняющие, в частности, функцию теплоизоляции и обшивающие внутреннюю сторону металлического кожуха 2. Блоки 3, 4 могут включать, например, огнеупорные кирпичи и/или углеродные блоки. В примере с фигуры 1 блоки 4 помещены внутри кожуха, прилегая к верхней части боковой стенки 2b кожуха 2. Блоки 3 покрывают нижнюю стенку 2а кожуха 2.

Электролизер 1 содержит также множество анодов 5. Аноды 5 состоят из углеродных блоков. Они могут быть соединены со штангами 6 соединительными деталями 7, обычно называемыми анододержателями, которые содержат закрепленные в анодах 5 ниппели. Что касается штанг 6, то они соединены с несущей конструкцией 9.

Аноды 5 предназначены для погружения в электролитическую ванну 8. В состав электролитической ванны 8 входят, в частности, криолит и глинозем. По мере прохождения реакции электролиза, в которой образуется алюминий, аноды 5 расходуются, и средства привода штанг 6 позволяют приводить их в поступательное движение относительно несущей конструкции 9, чтобы опускать аноды 5 по мере их расходования в электролизере 1.

Засыпка 12 из глинозема и измельченного электролита накрывает целиком электролитическую ванну 8 и по меньшей мере частично аноды 5.

На бортах электролизера 1 образуется настыль 14 застывшего криолита. Эта настыль 14 защищает блоки 4 от химического воздействия электролитической ванны 8 и слоя 13 жидкого алюминия.

Кроме того, электролизер 1 содержит катод 10. Катод 10 может включать в себя множество катодных блоков из углеродистого материала. Катод 10 соединен в его нижней части со средствами проведения электрического тока электролиза, образованными, в частности, из одного или нескольких проводников 11. Более конкретно, каждый катодный блок имеет по меньшей мере один паз в своей нижней части, внутри которого расположено средство проведения электрического тока. Хорошее физическое и электрическое соединение реализовано в пазу между катодным блоком и средством проведения электрического тока с помощью заливки чугуном. Проводник 11 проходит через кожух 2 на уровне отверстий, выполненных в кожухе и предусмотренных для этой цели. Проводник 11 собирает ток на катоде, отводя его от одного электролизера для подачи к другому. Фиг. 4 показывает пример известного проводника 11, который может быть соединен с катодом 10.

Фиг. 2 схематически показывает известный электролизер 1. Проводник 11 проходит через кожух 2 по существу на уровне нижней части катода 10, вблизи днища 2а кожуха 2.

Проводник 11 в контакте с горячим катодом 10 склонен вызывать потерю тепла наружу электролизера 1 на боковых сторонах электролизера вблизи днища 2а кожуха. Результирующий тепловой поток 15, выходящий из электролизера, показан на фиг. 2.

Кроме того, желательно обеспечить возможность образования настыли 14 (на фиг. 2 не показана) для защиты внутренней футеровки кожуха 2 (блоков 4 в примере с фиг. 1) от химического воздействия электролитической ванны 8 и слоя 13 жидкого алюминия.

Для способствования образованию настыли 14 желательно, чтобы тепловой поток 16 выходил на уровне верхней части боковых стенок 2b кожуха 2. Тепловой поток между содержащимися в электролизере 1 жидкостями и боковой стенкой 2b кожуха 2 способствует образованию настыли 14.

Фиг. 3 схематически показывает электролизер 1 по одному частному варианту осуществления изобретения. Электролизер 1, соответствующий этому варианту осуществления, существенно отличается от электролизеров 1 уровня техники тем, что он содержит проводник 11, у которого один или несколько концов 11а проходят через кожух 2 на высоте жидкостей, содержащихся в электролизере 1.

Как видно из фиг. 3, проводник 11 поднимается вблизи жидкостей, содержащихся внутри кожуха 2. Разница температур между содержащимися внутри кожуха 2 жидкостями и концами Па проводника 11 вызывает тепловой поток, выходящий на высоте этих жидкостей. Такой поток обеспечивает образование настыли 14, защищающей материалы на боковых сторонах электролизера 1.

Таким образом, тепловой поток 15, изначально вызывавший тепловые потери на бортах 2b электролизера вблизи днища 2а электролизера через электрические проводники 11, устраняется в электролизере по изобретению, так что тепло, рассеиваемое наружу из электролизера, уменьшается. Таким образом, тепловые потери из-за выходящих из кожуха проводников 11 используются с выгодой для того, чтобы управлять настылью 14.

Проводник 11 поднимается внутри блока 4 до уровня жидкостей, содержащихся в кожухе 2, и на этой высоте конец 11а проходит через кожух 2.

Согласно одному частному варианту осуществления, конец Па проходит через боковую стенку 2b кожуха на высоте зоны между верхней поверхностью катода 10 и верхним краем боковой стенки 2b кожуха 2.

Конец Па может проходить через боковую стенку 2b кожуха на высоте зоны между нижним и верхним уровнями электролитической ванны 8.

Более конкретно, конец 11а проходит через боковую стенку 2b кожуха 2 на высоте нижнего уровня электролитической ванны 8.

В примере с фиг. 5 проводник 11 является стержнем. Он может быть также выполнен, целиком или отчасти, в виде проводящей пластины, то есть с малой толщиной, составляющей, в частности, от 1 до 5 см, и шириной по меньшей мере в три раза больше этой толщины. Проводник 11с фиг. 5 содержит по существу горизонтальную первую часть 11b, соединенную с катодом 10, заканчивающуюся на своем конце по меньшей мере одной второй по существу вертикальной частью 11с, поднимающейся внутри внутренних футеровочных блоков 4 кожуха 2. На конце каждой, по существу вертикальной, второй части 11с находится по существу горизонтальный конец 11а, который проходит через кожух. Сам конец 11а может быть соединен с проводящими элементами для подачи тока к следующему электролизеру.

Проводник 11 по этому частному варианту осуществления изобретения выполнен из стали, или из меди, или из стали и меди. Согласно одному частному варианту осуществления настоящего изобретения, проводник 11 имеет первую часть 11b из стали или из стали и меди, соответствующую, в частности, соединенной с катодом 10 части, и другую часть 11с, 11а из меди, соответствующую части проводника 11, проходящей от катода 10 наружу.

Обычно электролизер содержит множество катодных блоков, установленных поперек электролизера 1, образуя катод 10. Эти катодные блоки содержат каждый по одному пазу или по два параллельных паза в их нижней части, внутри которых расположены проводники 11.

Фиг. 6 показывает конкретный проводник, предназначенный для оснащения такого катодного блока и содержащий две первые части 11b, соединенные с одной и той же второй частью 11с в форме пластины, имеющей два конца 11а.

Выгода от применения пластин по сравнению со стержнями состоит в экономии места для их размещения в кожухе и их взаимодействия с материалами внутренней футеровки кожуха. Кроме того, пластины дают большую поверхность теплообмена и, следовательно, лучшее распределение тепловых потоков в электролизере с лучше контролируемым рассеянием тепла для управления образованием настыли 14.

Такая пластина 11с может также проходить сбоку за первыми частями 11b или вертикально выше концов 11а.

Таким образом, одна и та же пластина 11с может быть электрически соединена с большим числом первых частей 11b, в частности, с 2-20 первыми частями 11b. Число концов 11а, соединенных с пластиной, также может отличаться от числа соединенных с ней первых частей 11b, и проводник 11с фигуры 6 мог бы, например, иметь единственный конец 11а.

Когда используется всего одна первая часть 11b с единственной второй частью 11с, вторая часть 11с также может быть в виде пластины.

Вторая часть 11с проводника позволяет сконцентрировать тепловой поток, выделенный жидкостями, содержащимися в электролизере, на уровне бортов электролизера, чтобы вывести его наружу так, что тепловой поток в материалах внутренней футеровки кожуха 2 снижается. Это выгодно тем, что эти материалы меньше нагреваются и меньше повреждаются. Кроме того, поскольку поток, выходящий на боковую стенку 2b кожуха 2, концентрируется проводником 11 и его концом 11а, боковая стенка 2b имеет более равномерную температуру и является более холодной, так что снижаются риски образования локальных перегревов на боковой стенке 2b кожуха 2.

Кожух 2 может содержать теплоизолятор 17, размещенный между проводником 11 и боковой стенкой 2b кожуха 2. Этот теплоизолятор 17 может быть размещен примыкающим к внутренней поверхности боковой стенки 2b кожуха 2. Фиг. 7 показывает пример электролизера 1 по одному частному варианту осуществления изобретения, снабженного тепло изолятором 17. Теплоизолятор 17 может, кроме того, проходить вертикально выше конца или концов 11а.

Размещение такого изолятора 17 примыкающим к внутренней поверхности боковой стенки 2b кожуха 2 возможно с проводником 11 по изобретению благодаря предпочтительному отводу теплового потока через конец 11а, в отличие от электролизеров с проводниками согласно уровню техники, в которых температуры на бортах электролизера становятся слишком высокими и изоляторы повреждаются. Таким образом, настоящее изобретение позволяет одновременно улучшить теплоизоляцию электролизера в целом и контролировать образование настыли.

Кроме того, тепловой поток, проходящий через катод 10, снижается с проводником 11 по изобретению по сравнению с использованием проводника согласно уровню техники, с которым значительно количество тепла отводится из подины проводником; это выгодно тем, что снижаются риски охлаждения катода 10, что влечет накопление обломков на катоде 10 и повышение электрического сопротивления между проводником 11 и анодом 5.

Предпочтительно, вторые части 11с проводника 11 электрически изолированы от материалов внутренней футеровки кожуха 2, чтобы ограничить или исключить риски образования линий тока в содержащихся в электролизере 1 жидкостях между анодами и бортами электролизера 1. Эта изоляция предпочтительно реализована посредством бетона.

Хотя изобретение было описано в связи с частными примерами осуществления, само собой разумеется, что оно никоим образом не ограничено этими примерами, но включает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они охватываются рамками изобретения.

Изобретение относится к электролизеру для электролитического производства алюминия. Электролизер содержит кожух с ванной электролита, имеющий нижнюю и боковую стенки, катод, установленный на нижней стенке, и средства для проведения электрического тока электролиза от одного электролизера к другому, соединенные с катодом и проходящие через боковую стенку кожуха на высоте зоны, расположенной между верхней поверхностью катода и верхним краем боковой стенки кожуха. Обеспечивается снижение тепловых потерь. 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электролизер (1) для производства алюминия электролизом, содержащий:

(i) кожух (2), имеющий нижнюю стенку (2а) и боковую стенку (2b),

(ii) катод (10), образованный из катодных блоков, установленных на нижней стенке (2а),

(iii) средства проведения электрического тока электролиза от одного электролизера (1) к другому, соединенные с катодом (10) в его нижней части, отличающийся тем, что средства проведения электрического тока проходят через боковую стенку (2b) кожуха (2) на высоте зоны между верхней поверхностью катода (10) и верхним краем боковой стенки (2b) кожуха (2) и содержат первую часть (11b) в контакте с катодом (10) и вторую часть (11с), соединенную с первой частью (11b) и проходящую снизу вверх внутри кожуха (2), при этом по меньшей мере часть второй части (11с) средств проведения электрического тока выполнена в виде пластины.

2. Электролизер (1) по п. 1, отличающийся тем, что катодные блоки выполнены из углеродистого материала.

3. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в нижней части катодных блоков выполнен по меньшей мере один паз, внутри которого частично расположено средство проведения электрического тока.

4. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средства проведения электрического тока проходят через боковую стенку (2b) кожуха (2) на высоте зоны, находящейся между нижним уровнем и верхним уровнем электролитической ванны (8).

5. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средства проведения электрического тока проходят через боковую стенку (2b) кожуха (2) на высоте нижнего уровня электролитической ванны (8), то есть на границе раздела между электролитической ванной (8) и слоем (13) алюминия.

6. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вторая часть (11с) выполнена вертикальной.

7. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средства проведения электрического тока имеют по меньшей мере один конец (11а), соединенный со второй частью (11с) и проходящий через боковую стенку (2b) кожуха (2).

8. Электролизер (1) по п. 7, отличающийся тем, что конец (11а) выполнен горизонтальным.

9. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первая часть (11b), находящаяся в контакте с катодом (10), выполнена из стали или из стали и меди.

10. Электролизер (1) по п. 1, отличающийся тем, что средства проведения электрического тока выполнены из стали, меди или из стали и меди.

11. Электролизер (1) по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что по меньшей мере часть второй части (11с) средств проведения электрического тока выполнена из меди.

12. Электролизер (1) по п. 7 или 8, отличающийся тем, что по меньшей мере часть конца (11а) выполнена из меди.

13. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средства проведения электрического тока содержат стержень.

14. Электролизер (1) по п. 1, отличающийся тем, что пластина проходит сбоку за первой частью (11b).

15. Электролизер (1) по п. 14, отличающийся тем, что пластина электрически соединена с по меньшей мере двумя первыми частями (11b).

16. Электролизер (1) по п. 14 или 15, отличающийся тем, что пластина соединена с разным числом первых частей (11b) и концов (11а).

17. Электролизер (1) по п. 7, отличающийся тем, что пластина проходит снизу вверх за концом (11а).

18. Электролизер (1) по п. 1, отличающийся тем, что вторая часть (11с) электрически изолирована от материалов внутренней футеровки кожуха (2).

19. Электролизер (1) по п. 18, отличающийся тем, что вторая часть (11с) электрически изолирована от материалов внутренней футеровки кожуха (2) бетоном.

20. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кожух (2) футерован изнутри блоками (3, 4) из огнеупорных материалов.

21. Электролизер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кожух (2) снабжен теплоизолятором (17), размещенным между второй частью (11с) средств проведения электрического тока и боковой стенкой (2b) кожуха (2).