АЛЮМИНИЕВЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР С НЕПРЕРЫВНЫМ АНОДОМ В АЛЮМИНИЕВОЙ РАМЕ СО ВСТРОЕННЫМИ ПРОВОДНИКАМИ Российский патент 2019 года по МПК C25C3/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к алюминиевому электролизеру для производства электролитического алюминия, особо чистого алюминия, рафинированного алюминия и алюминиевого сплава и, в частности, относится к алюминиевому электролизеру с непрерывным анодом в алюминиевой раме со встроенными проводниками, который способен увеличить равномерную проводящую способность анода в алюминиевой раме и повысить скорость рассеивания тепла в центре анода в алюминиевой раме и скорость выпуска газов в аноде, и имеет преимущества, состоящие в том, что он образует в аноде в алюминиевой раме крайне небольшое количество пековых дымовых газов с препятствованием их утечке, имеет несложное управление, рационально использует энергию и соответствует требованиям к охране окружающей среды, имеет низкую стоимость и позволяет получать высокую добавленную стоимость продукта.

Уровень техники

Для устранения недостатков, обусловленных тем, что анод крупногабаритного или сверхкрупногабаритного алюминиевого электролизера с предварительно обожженным анодом нельзя непрерывно использовать в процессе производства электролитического алюминия, приведено описание энергосберегающего и соответствующего требованиям к охране окружающей среды алюминиевого электролизера, способного к осуществлению непрерывного производства и обеспечению устойчивой работы алюминиевого электролизера с низким межполюсным расстоянием.

Существующий энергосберегающий и соответствующий требованиям к охране окружающей среды алюминиевый электролизер обеспечивает техническое усовершенствование в отношении аспектов производства электролитического алюминия, особо чистого алюминия, рафинированного алюминия и алюминиевого сплава, при этом анод, используемый в существующем электролизере, изготовлен из анодной массы. Отдельный анод имеет большой объем и очень большую площадь сечения, относительно низкую теплопроводность и низкую скорость теплопередачи. Таким образом, излишнее тепло внутри анода не может своевременно рассеиваться в направлении боковых сторон анода, в результате чего возникает проблема, состоящая в том, что внутренняя температура анода является высокой, а температура с четырех сторон низкой, поэтому отдельный анод имеет высокий внутренний конус, низкий периферийный конус, небольшое сопротивление в центре, большое сопротивление на периферии, неравномерное распределение тока, повышенное падение напряжения и высокий расход энергии. Поскольку токопроводящая штанга вставлена в анод на небольшую глубину, и удельное электрическое сопротивление конического тела анода относительно высокое, это ведет к высокому падению давления на аноде и высокому расходу энергии. Площадь подошвы анода слишком большая для плавного выпуска наружу анодного газа, образующегося у подошвы анода, и скорость выпуска низкая, что обусловливает проблемы, состоящие в том, что сопротивление пузырьков на аноде является высоким, электролитическая ванна является нестабильной, эффективность тока низкая, расход энергии высокий и т.п. Вместе с тем необходимо с периодическими интервалами вбивать и извлекать токопроводящую штангу, однако операции по вбиванию и извлечению токопроводящей штанги являются сложными и требуют больших трудозатрат, большие количества пековых дымовых газов с трудом поддаются сбору, указанные операции имеют высокую стоимость и влияют на качество продукта, компоновку проводников в аноде и даже целостность анода.

Раскрытие изобретения

Для решения проблем в отношении существующего алюминиевого электролизера, состоящих в его низкой электропроводности и теплопроводности, высоком расходе энергии, сложном управлении, низкой стабильности, образовании большого количества пековых дымовых газов, с трудом поддающихся сбору, небольшом разнообразии и низком качестве производимых продуктов и факторах, влияющих на целостность анода, предлагается алюминиевый электролизер с непрерывным анодом в алюминиевой раме с встроенными проводниками.

Настоящее изобретение можно внедрить с помощью следующих технических решений: алюминиевый электролизер, имеющий непрерывный анод в алюминиевой раме с встроенными проводниками, включает в себя анод в алюминиевой раме и катод, расположенный под анодом в алюминиевой раме, причем анод в алюминиевой раме включает в себя алюминиевую раму с углеродистым материалом и расположенными в нем проводниками, при этом толщина стенки алюминиевой рамы составляет 0,1–5 см; вокруг алюминиевой рамы расположены первая удерживающая рама и вторая удерживающая рама; между первой удерживающей рамой и алюминиевой рамой и между второй удерживающей рамой и алюминиевой рамой соответственно расположены несколько вертикально установленных направляющих штанг анода; у верхних частей направляющих штанг анода расположена и соединена с ними анодная шина; вокруг алюминиевой рамы расположен механизм для очистки, пробивки и вытяжки.

Во время выполнения операции электролиза анод в алюминиевой раме установлен как единое целое над катодом с помощью первой удерживающей рамы и второй удерживающей рамы, ток подводится к направляющей штанге анода, алюминиевой раме и проводникам через анодную шину и затем течет по спеченному телу анода до поступления в жидкий электролит. Большая часть анодных газов, которые образуются у подошвы спеченного тела анода, проходит через шов, образующийся после удаления проводников из спеченного тела анода, и затем выпускается наружу алюминиевой рамы и, в конечном счете, наружу электролизера. В ходе продолжения производственного процесса спеченное тело анода на нижней части анода в алюминиевой раме непрерывно расходуется, алюминиевая рама, которая расположена снаружи электролитической ванны и оснащена проводниками, должна быть размещена на верхней части анода в электролитической ванне, и между алюминиевой рамой и проводниками добавляют углеродистый материал, или алюминиевую раму, расположенную снаружи электролитической ванны, соединяют с верхней частью анода в алюминиевой раме в электролитической ванне, и в алюминиевую раму добавляют углеродистый материал с проводниками, или электролитическую ванну соединяют с верхней частью анода в алюминиевой раме в электролитической раме, в алюминиевую раму добавляют углеродистый материал, и в углеродистый материал вставляют проводники, или анод в алюминиевой раме, расположенный снаружи электролитической ванны как единое целое соединяют с верхней частью анода в алюминиевой раме в электролитической ванне, углеродистый материал в аноде в алюминиевой раме спекают в виде спеченного тела анода при высокой температуре, так что анод в алюминиевой раме функционирует непрерывно, что устраняет проблемы в отношении существующего алюминиевого электролизера, состоящие в его низкой электропроводности и теплопроводности, высоком расходе энергии, сложном управлении, низкой стабильности, образовании большого количества пековых дымовых газов, с трудом поддающихся сбору, сложности очистки дымовых газов, образующихся при электролизе, небольшом разнообразии и низком качестве производимых продуктов и факторах, влияющих на целостность анода,

Первая удерживающая рама и вторая удерживающая рама содержат некоторое количество зажимных болтов, контактирующих с алюминиевой рамой и направляющими штангами анода, и между наружной стенкой первой удерживающей рамы и катодом и между наружной стенкой второй удерживающей рамы и катодом соответственно расположены газосборные колпаки.

В процессе непрерывного расхода спеченного тела анода на нижней части анода в алюминиевой раме первая удерживающая рама и вторая удерживающая рама, которые удерживают направляющие штанги анода и анод в алюминиевой раме, опускаются вместе с ними. Когда расстояние между нижними концами направляющих штанг анода и верхней поверхностью жидкого электролита электролитической ванны уменьшается до определенного предела, первая удерживающая рама, вторая удерживающая рама и направляющие штанги анодов необходимо поднимать в заданное положение. В процессе поднимания, прежде всего, освобождаются контакты первой удерживающей рамы с направляющими штангами анода и алюминиевой рамой, первая удерживающая рама перемещается вверх в заданное положение и затем плотно фиксируется контакт первой удерживающей рамы с алюминиевой рамой. В дальнейшем освобождаются контакты второй удерживающей рамы с направляющими штангами анода и с алюминиевой рамой, и все освобожденные контакты с направляющими штангами анода и с алюминиевой рамой плотно фиксируются, после того как вторая удерживающая рама и направляющие штанги анода перемещаются вверх в заданное положение, для осуществления непрерывного производства. Газосборные колпаки обеспечивают уплотнение и препятствование утечке дымовых газов из электролизера.

Проводники выполнены из металла, металлического сплава, оксидов металлов, фторидов металлов, галидов металлов, карбоната или их смеси, которая способна расплавляться в жидком электролите.

Корка электролита между алюминиевой рамой и катодом покрыта слоем изоляции, причем наличие слоя изоляции должно уменьшать потери на рассеяние тепла в электролитической ванне, величину корки электролита и затраты на обработку.

Количество алюминиевых рам больше или равно двум.

Верхний конец алюминиевой рамы оснащен уплотнительной крышкой для сбора пековых дымовых газов для предотвращения выпуска из анода пековых дымовых газов в верхнем направлении.

Первая удерживающая рама и вторая удерживающая рама имеют ряд отверстий для сбора газа и отверстий для отвода газа, и отверстия для отвода газа соединены с выпускным коллектором электролизера для вытяжки с целью сбора дымовых газов в электролизере.

На основе требований к добавлению материала механизм для очистки, пробивки и отвода дымовых газов, расположенный вокруг алюминиевой рамы, пробивает корку на жидком электролите для добавления окиси алюминия и фтористых солей в жидкий электролит, и дымовые газы, которые образуются в этом месте, улавливаются коллектором электролизера для вытяжки.

Настоящее изобретение имеет пригодную и надежную конструкцию и, тем самым, способствует равномерному распределению тока анода и тепла анода в аноде в алюминиевой раме, значительно уменьшает падение напряжения на аноде, уменьшает расход электроэнергии и снижает температуру в центре анода в алюминиевой раме, способствуя повышению эффективности тока и увеличению выхода продукта. Вместе с тем, анодный газ быстро и доступным образом проходит через шов в спеченном теле анода для выпуска со стороны анода в алюминиевой раме, тем самым, уменьшая падение напряжения, вызванное выделением пузырьков газа, и повышая стабильность и эффективность электролизера. Настоящее изобретение имеет преимущества, состоящие в том, что оно обеспечивает удобное и простое управление, высокую целостность анода в алюминиевой раме, образование небольшого количества пековых дымовых газов в аноде в алюминиевой раме с препятствованием их утечке, надлежащие уплотнительные свойства электролизера, легкий сбор дымовых газов, легкую очистку пековых дымовых газов в электролизере, продолжительное и стабильное действие проводников, исключение операций забивания и извлечения токопроводящей штанги, образование дымовых газов в электролизере в небольшом количестве и низкую стоимость их очистки, безопасный и соответствующий требованиям к охране окружающей среды производственный процесс, низкие производственные расходы, получение разнообразных продуктов и стабильное качество продуктов, высокую добавленную стоимость продуктов, большой неограничиваемый объем электролизера, простое и надлежащее крепление анода в алюминиевой раме и направляющих штанг анода с помощью удерживающих рам.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематическое изображение алюминиевого электролизера по настоящему изобретению;

фиг. 2 - вид сбоку алюминиевого электролизера согласно фиг. 1;

фиг. 3 - вид сбоку алюминиевого электролизера согласно фиг. 1.

Перечень номеров позиций:

1 - катод

2 – алюминиевая рама

3 – углеродистый материал;

4 – проводник

5 – первая удерживающая рама

6 – вторая удерживающая рама

7 – направляющая штанга анода

8 – анодная шина

9 – механизм для очистки, пробивки и вытяжки

10 – зажимной болт

11 – газосборный колпак

12 – корка

13 – уплотнительная крышка для сбора пековых дымовых газов.

Осуществление изобретения

Алюминиевый электролизер, имеющий непрерывный анод в алюминиевой раме со встроенными проводниками, включает в себя анод в алюминиевой раме и катод 1, расположенный под анодом в алюминиевой раме. Анод в алюминиевой раме включает в себя алюминиевую раму 2 с углеродистым материалом 3 и проводниками 4, расположенными в алюминиевой раме 2, причем толщина стенки алюминиевой рамы составляет 0,1–5 см. Вокруг алюминиевой рамы 2 расположены первая удерживающая рама 5 и вторая удерживающая рама 6, и между первой удерживающей рамой 5 и алюминиевой рамой 2 и между второй удерживающей рамой 6 и алюминиевой рамой 2 соответственно расположены несколько вертикально установленных направляющих штанг 7 анода. У верхних частей направляющих штанг 7 анода расположена и соединена с ними анодная шина 8. Вокруг алюминиевой рамы 2 расположен механизм 9 для очистки, пробивки и вытяжки.

Первая удерживающая рама 5 и вторая удерживающая рама 6 содержат некоторое количество зажимных болтов 10, контактирующих с алюминиевой рамой 2 и направляющей штангой 7 анода, и между наружной стенкой первой удерживающей рамы 5 и катодом 1 и между наружной стенкой второй удерживающей рамы 6 и катодом 1 соответственно расположены газосборные колпаки 11. Проводники 4 выполнены из металла, металлического сплава, оксидов металлов, фторидов металлов, галидов металлов, карбоната или их смеси, которая способна расплавляться в жидком электролите. Корка электролита между алюминиевой рамой 2 и катодом 1 покрыта слоем изоляции 12. Количество слоев алюминиевой рамы 2 больше или равно двум. Верхний конец алюминиевой рамы 2 оснащен уплотнительной крышкой 13 для сбора пековых дымовых газов. Первая удерживающая рама 5 и вторая удерживающая рама 6 имеют ряд отверстий для сбора газа и отверстий для отвода газа.

В конкретном примере осуществления количество, размер, форму и структуру анода в алюминиевой раме и компоновку анода в алюминиевой раме в электролизере задают согласно объему электролизера, требованиям к равномерному распределению концентрации окиси алюминия, надежности и удобству крепления анода в алюминиевой раме с помощью первой удерживающей рамы 5 и второй удерживающей рамы 6 и компактности контакта направляющих штанг 7 анода и анода в алюминиевой раме при условии обеспечения электропроводности, теплопроводности и способности к отводу газов анода в алюминиевой раме. Вместе с тем, согласно требованиям к электропроводности, теплопроводности, отводу газов и целостности анода в алюминиевой раме, исходя из того, что обеспечивается качество продукта, задают компоновку и положения проводников 4 в аноде в алюминиевой раме и определяют количество, размеры, формы и соответствующие материалы проводников 4, расположенных в аноде в алюминиевой раме. Углеродистый материал 3 изготовлен из анодной массы, сухой анодной массы, углеродного блока из предварительно обожженного анода, углеродного блока из сырого анода, связующего, боя анодов, нефтяного кокса, пекового кокса, графита, антрацита, пека или их смеси. Согласно требованиям, что алюминиевая рама 2 должна быть нераздельной, неповрежденной и способной к непрерывному уплотнению углеродистого материала 3, и ее форма должна быть постоянно стабильной, задают количество слоев и толщину стенки алюминиевой рамы 2. Задают, по меньшей мере, один слой алюминиевой рамы 2, который выполняют из первичного алюминия, рафинированного алюминия, особо чистого алюминия или алюминиевого сплава, содержащего более 80% алюминия. Согласно требованиям, что верхняя и нижняя алюминиевые рамы 2 должны быть удобными для соединения и надлежащего уплотнения, должны способствовать плотному контакту направляющих штанг 7 анода и алюминиевой рамы 2 и соответствовать аноду в алюминиевой раме 2, задают формы, структуры, размеры и количество алюминиевых рам 2, и задают последовательность компоновки проводников 4 в алюминиевой раме 2 и добавление углеродистого материала 3 и способ их объединения. Согласно требованиям к креплению, поддержке и удобству работы с первой удерживающей рамой 5 и второй удерживающей рамой 6, а также к зажимным болтам 10 на направляющих штангах 7 анода и аноду в алюминиевой раме и количеству алюминиевых рам 2, выбирают материалы первой удерживающей рамы 5 и второй удерживающей рамы 6, а также зажимных болтов 10, задают размеры, формы, структуры, способы удерживания и крепления и количество первых удерживающих рам 5 и вторых удерживающих рам 6, а также зажимных болтов 10, и определяют количество алюминиевых рам 2, расположенных в отдельной первой удерживающей раме 5 и отдельной второй удерживающей раме 6. Согласно конкретным положениям выпуска и количеству дымовых газов в электролизере задают положения, размеры, количество, структуры и количество отводимых газов из отверстий для сбора газов и отверстий для отвода газов на первой удерживающей раме 5 и второй удерживающей раме 6. Согласно требованиям к уплотнению, поглощению и сбору пековых дымовых газов задают размеры, количество, формы, структуры уплотнительной крышки 13 для сбора пековых дымовых газов и режим контакта уплотнительной крышки 13 для сбора пековых дымовых газов с анодом в алюминиевой раме. Согласно требованию, что ток от анодной шины 8 подводится к аноду в алюминиевой раме, задают материалы, размер, формы, количество и структуры направляющих штанг 7 анода и способ соединения направляющих штанг анода с анодной шиной 8. Согласно требованию к изоляции электролизера и уменьшению величины корки электролита выбирают материал слоя 12 изоляции, и задают толщину, величину, форму и структуру слоя изоляции. Согласно объему электролизера, количеству и размеру анода в алюминиевой раме и состоянию кипения электролита определяют положение установки, количество и структуру механизма 9 для очистки, пробивки и отвода дымовых газов вокруг алюминиевой рамы 2, и в механизм 9 для очистки, пробивки и отвода дымовых газов устанавливают пневматический цилиндр для очистки, штангу молотка, головку молотка и пробойник. Согласно плану производства продукта определяют ряд исходных материалов, используемых в электролизере; в электролизере используют следующие исходные материалы: усиленную фтором окись алюминия, свежую окись алюминия, окиси других металлов, фториды, галиды, карбонаты или их смеси. Если в качестве исходного материала используют усиленную фтором окись алюминия, в электролизере получают электролитический алюминий, содержащий более 99.70% алюминия. Если в качестве исходного материала используют свежую окись алюминия, в электролизере получают особо чистый алюминий или рафинированный алюминий, содержащий более 99.91% алюминия. Если в качестве исходных материалов используют окись алюминия и окиси других металлов, фториды, галиды или карбонаты или в качестве проводников используют другие металлы, металлические сплавы, окиси металлов, или фториды, или галиды, или карбонаты, в электролизере непосредственно получают алюминиевый сплав. Когда количество алюминиевых рам больше или равно двум, первая удерживающая рама 5 и вторая удерживающая рама 6 соответствуют количеству алюминиевых рам 2 и расположены вокруг каждой алюминиевой рамы 2 или количество алюминиевых рам 2 больше или равно двум (однако оптимальное количество не должно превышать 15) в отдельной удерживающей раме 5 и в отдельной удерживающей раме 6, вокруг алюминиевой рамы 2 установлено некоторое количество вертикально расположенных направляющих штанг 7 анода.

Изобретение относится к алюминиевому электролизеру с непрерывным анодом в алюминиевой раме со встроенными проводниками. Электролизер содержит катод, расположенный под анодом в алюминиевой раме, в алюминиевой раме анода размещены углеродистый материал и проводники, причем толщина стенки алюминиевой рамы составляет 0,1–5 см, вокруг алюминиевой рамы расположены первая удерживающая рама и вторая удерживающая рама, и между первой удерживающей рамой и алюминиевой рамой и между второй удерживающей рамой и алюминиевой рамой, соответственно, расположены вертикально установленные направляющие штанг анода, у верхних частей направляющих штанг анода расположена и соединена с ними анодная шина, вокруг алюминиевой рамы расположен механизм для очистки, пробивки и вытяжки. Обеспечивается уменьшение расхода энергии и повышение эффективности тока, стабильности и производительности электролизера. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Алюминиевый электролизер с непрерывным анодом в алюминиевой раме и со встроенными проводниками, содержащий катод (1), расположенный под анодом в алюминиевой раме, причем анод в алюминиевой раме содержит углеродистый материал (3) с расположенными в нем проводниками (4), размещенный в алюминиевой раме (2), при этом вокруг алюминиевой рамы (2) расположены первая удерживающая рама (5) и вторая удерживающая рама (6), между первой удерживающей рамой (5) и алюминиевой рамой (2) и между второй удерживающей рамой(6) и алюминиевой рамой(2), соответственно, расположены вертикально установленные направляющие штанги (7) анода, причем у верхних частей направляющих штанг (7) анода расположена и соединена с ними анодная шина (8), а вокруг алюминиевой рамы (2) расположен механизм (9) для очистки, пробивки и вытяжки.

2. Алюминиевый электролизер по п. 1, в котором первая удерживающая рама (5) и вторая удерживающая рама (6) содержат зажимные болты (10), контактирующие с алюминиевой рамой (2) и направляющими штангами (7) анодов и между наружной стенкой первой удерживающей рамы (5) и катодом (1) и между наружной стенкой второй удерживающей рамы (6) и катодом(1), соответственно, расположены газосборные колпаки (11).

3. Алюминиевый электролизер по п. 1 или 2, в котором проводники (4) выполнены из металла, металлического сплава, оксидов металлов, фторидов металлов, галидов металлов, карбоната или их смеси, способных расплавляться в жидком электролите.

4. Алюминиевый электролизер по п. 1 или 2, в котором корка электролита между алюминиевой рамой (2) и катодом (1) покрыта слоем (12) изоляции.

5. Алюминиевый электролизер по п. 3, в котором корка электролита между алюминиевой рамой (2) и катодом (1) покрыта слоем (12) изоляции.

6. Алюминиевый электролизер по п. 1 или 2, в котором количество алюминиевых рам (2) больше или равно двум.

7. Алюминиевый электролизер по п. 5, в котором количество алюминиевых рам (2) больше или равно двум.

8. Алюминиевый электролизер по п. 1 или 2, в котором верхний конец алюминиевой рамы (2) оснащен уплотнительной крышкой (13) для сбора пековых дымовых газов.

9. Алюминиевый электролизер по п. 7, в котором верхний конец алюминиевой рамы оснащен уплотнительной крышкой (13) для сбора пековых дымовых газов.

10. Алюминиевый электролизер по п. 9, в котором первая удерживающая рама (5) и вторая удерживающая рама (6) имеют ряд отверстий для сбора газа и отверстий для отвода газа.