УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ ИЛИ ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 2025 года по МПК C25C3/06 C25C3/08 C25C3/24 C25C7/00 

Область техники

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно, к конструкции электролизера и способу электролитического рафинирования алюминия или его сплавов.

Уровень техники

Известно электрохимическое рафинирование металлов трехслойным способом (Х. Чанг, В. де Нора и Дж. А. Секхар. «Материалы, используемые в производстве алюминия методом Эру-Холла». - Изд. Красноярск. гос. ун-т, Красноярск, 1998), согласно которому алюминий, подлежащий рафинированию от электроположительных примесей, таких как железо, кремний, медь, никель и другие, специально утяжеляется добавлением меди (около 30%) и такой сплав является анодом при электролизе. Электролитом служит хлоридно-фторидный расплав, содержащий хлорид бария. Температура рафинирования составляет около 800°C. В этом случае чистый алюминий оказывается легче электролита и, являясь, катодом, плавает на поверхности электролита.

Схема такого электролизера представлена на фиг. 1, где 1 – бортовые блоки, 2 – катодный алюминий (рафинированный), 3 – подовый блок (угольный), 4 – катодный токоотвод, 5 – теплоизоляция, 6 – анодный токоподвод, 9 – анодный алюминий (алюминиево-медный сплав), 10 – хлоридно-фторидный электролит, 11 – съемное укрытие (крышка).

Недостатком известного электролизера является высокое напряжение на электролизере (около 5,5 В) и удельный расход энергии, составляющий более 20 кВт*ч/кг Al при выходе по току равном 98% поскольку, чтобы исключить загрязнение катодного металла частичками анодного сплава, межэлектродное расстояние поддерживается на уровне около 15 см.

Известны варианты устройства для рафинирования алюминия по патенту RU 2809349, опубл. 11.12.2023, которые содержат по меньшей мере одну пористую съемную диафрагму, проницаемую для электролита и непроницаемую для расплавленного алюминиевого сплава с примесями и расплавленного рафинированного алюминия, заполненную электролитом, в которую вертикально загружен катод и которая погружена в расплавленный алюминиевый сплав с металлическими примесями, размещенный в емкости, футерованной огнеупорными материалами, и имеющий анодный токоподвод. Дренажные каналы выполнены в донной части катода или в стенках катода, или в креплении и крышке. Дренажные каналы расположены на уровне зеркала расплава электролита для удаления катодного алюминия из емкости пористой диафрагмы в сборный резервуар.

Недостатком известной конструкции является сложность конструкции устройства и его обслуживания, что приведет к удорожанию капитальных и операционных затрат на рафинирование алюминия и его сплавов.

В качестве прототипа предложенного изобретения выбраны способ и устройство для рафинирования алюминия (патент RU 2558316, опубл. 27.07.2015), основанные на том, что два слоя металла - первичный анодный сплав, подлежащий очистке, и очищенный катодный металл, имеющие приблизительно одинаковую плотность, разделяются слоем электролита, который удерживается капиллярными силами в порах смачиваемой им пористой мембраны, изготовленной из материала инертного по отношению к электролиту и металлу. Недостатком является то, что горизонтально расположенная мембрана выполняет роль фильтра, который со временем «загрязняется», происходит пассивация поверхности и затрудняется ионный массообмен в мембране.

Известное устройство для электролитического рафинирования алюминия и его сплавов от электроположительных примесей, принятое за прототип, содержит контейнер с подиной, футерованной огнеупорными материалами, для размещения в нем расплавленного алюминия или алюминиевого сплава и расплавленного рафинированного алюминия, по меньшей мере одну пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминиевого сплава с электроположительными примесями и проницаемую для электролита и катионов алюминия, для разделения расплавленного алюминиевого сплава с электроположительными примесями, используемого в качестве анода с токоподводом угольной подиной, и расплавленного рафинированного алюминия в качестве катода с токоотводом графитовыми блоками с верха электролизера. Данная конструкция устройства рафинирования с вертикальным катодным токоотводом, кроме сложности в изготовлении и эксплуатации (заливка электролита, загрузка анодного сплава только в жидком виде и др.), имеет большие тепловые потери (> 50%) верхом (графитовыми катодными блоками и токоотводами), что увеличивает расход электроэнергии на рафинирование.

Раскрытие изобретения

Технической задачей и техническим результатом предложенного изобретения является создание конструкции электролизера и способа рафинирования алюминия или его сплавов с более низкими по сравнению с прототипом расходом электроэнергии, капитальными и операционными затратами.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предложено устройство для электролитического рафинирования алюминия или его сплавов, содержащее ванну с подовыми и бортовыми блоками для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава, пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава, и проницаемую для электролита и катионов алюминия, для разделения расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями, используемого в качестве анода с анодным токоподводом, и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава в качестве катода с катодным токоотводом. Пористая мембрана размещена в ванне вертикально с возможностью разделения ванны на емкости с анодным и катодным алюминием или алюминиевым сплавом, причем верхняя часть пористой мембраны снабжена емкостью для обеспечения пропитки мембраны электролитом, а в нижней части мембрана закреплена на опоре, выполненной из неэлектропроводного материала, ванна содержит съемное укрытие, размещенное в верхней ее части и выполненное из теплоизоляционного материала, при этом анодные и катодные токопроводящие стержни выполнены из меди.

Целесообразно, чтобы мембрана была установлена и закреплена в неэлектропроводной опоре для исключения замыкания анодного и катодного металлов, а бортовые блоки выполнены из неэлектропроводного материала.

Для снижения расхода электроэнергии анодные и катодные токопроводящие стержни предпочтительно выполнены из меди, а верхняя часть устройства укрыта съемными теплоизолированными укрытиями. Это обеспечит снижение расхода электроэнергии на порядка 6200 кВт*ч/т (30%) за счет уменьшения падения напряжения в токопроводящих анодных и катодных стержнях, выполненных из меди, и уменьшения тепловых потерь верхом электролизера по сравнению с прототипом.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема известного электролизера для электрохимического рафинирования металлов трехслойным способом.

На фиг. 2 представлена схема предложенного устройства.

Предложенное устройство содержит ванну с бортовыми блоками (1), подовыми блоками (3), теплоизоляцию (5), катодный токоотвод (4), катодный алюминий (2), пористую мембрану (8), пропитанную хлоридно-фторидным электролитом (10), анодный алюминий (9), анодный токоподвод (6), опору для крепления пористой мембраны (7), съемное укрытие (крышка) (11) из теплоизоляционного материала, служащее для снижения потерь тепла и расхода энергии.

Сходные элементы показаны на фиг. 1, на которой отсутствует пористая мембрана.

Верхняя часть пористой мембраны (8) снабжена емкостью и каналами для гарантированного снабжения мембраны электролитом. Хлоридно-фторидный электролит (10) улучшает смачиваемость пористой мембраны (8).

Пористая мембрана (8) может быть многослойной для надежного сохранения электролита (10) и для повышения ее механической прочности, химической устойчивости. Она может состоять из слоев электропроводного материала (например, графит) и электроизолятора (например, корунд), чередующихся между собой.

Пористая мембрана (8) может быть выполнена из перфорированных пластин с отверстиями круглой или другой формы, исключающих продавливание металла. Мембрана одинаковая для алюминия или сплавов на его основе.

Осуществление изобретения

Схема предложенного устройства приведена на фиг. 2.

Процесс рафинирования заключается в электролитическом переносе ионов алюминия от анодной поверхности, ограниченной пористой мембраной (8) через расплав электролита (10) к поверхности катода (2) при температуре электролита в диапазоне 780-920°С, плотность тока в диапазоне 0,5-2,1 А/см², при которых на аноде (9) не происходит растворения менее электроотрицательных металлов, чем алюминий (например, Fe, Si), и не происходит осаждения более электроотрицательных, чем алюминий, металлов на катоде (например, Na, K). В качестве материала мембраны применяется, например, оксидная керамика, углеродные материалы, а также неорганические волокна. Материал мембраны не позволяет очищаемому расплаву и катодному металлу проникнуть через нее, за счет эффекта смачивания и капиллярных сил. Поддержание пропитки электролитом мембраны позволяет вести процесс рафинирования с величиной межполюсного расстояния, равной толщине мембраны, достаточной для поддержания необходимого температурного режима при меньшей величине межэлектродного расстояния и расходе электроэнергии. Также отсутствует необходимость утяжеления анодного расплава медью, что применяется на ваннах трехслойного рафинирования с расположением катодного сплава на поверхности электролита над анодным сплавом.

Для рафинирования алюминия или его сплавов может применяться одинаковая пористая мембрана, что обеспечивает как ее универсальность, так и предложенного устройства. Пористая мембрана должна быть полностью пропитана электролитом для переноса ионов алюминия и не допускать прямого контакта анодного и катодного алюминия. Рафинируют, как правило, отдельно алюминий или сплав на его основе. Предлагаемую конструкцию и способ можно использовать при рафинирования как алюминия, так и сплавов на его основе.

При этом происходит улучшение следующих технико-экономических показателей (ТЭП) электролиза алюминия: снижение рабочего напряжения за счет уменьшения тепловых потерь верхом электролизера, величины межэлектродного расстояния и удельного расхода энергии.

Дополнительным преимуществом предлагаемой конструкции электролизера является снижение капитальных затрат на катодное устройство электролизера (исключающее катодную ошиновку ванны и графитовые блоки), а также операционных (возможность переработки вторичных алюминиевых сплавов в твердом виде без использования меди для утяжеления анодного сплава). Как было отмечено, в прототипе ток от катода отводится вверх графитовыми блоками. Тепловые потери такой конструкции составляют более 50% от всех потерь. Если убрать эти блоки, герметично теплоизолировать верх электролизера, то можно снизить тепловые потери на 30%, что равно снижению расхода энергии на порядка 6200 кВт*ч/т.

С учетом приведенного описания и примеров объем правовой охраны испрашивается на заявленное устройство для электролитического рафинирования алюминия или его сплавов, содержащее ванну с подовыми и бортовыми блоками для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава, пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава, и проницаемую для электролита и катионов алюминия, для разделения расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями, используемого в качестве анода с анодным токоподводом, и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава в качестве катода с катодным токоотводом. Пористая мембрана размещена в ванне вертикально с возможностью разделения ванны на емкости с анодным и катодным алюминием или алюминиевым сплавом, причем верхняя часть пористой мембраны снабжена емкостью для обеспечения пропитки мембраны электролитом, а в нижней части мембрана закреплена на опоре, выполненной из неэлектропроводного материала, ванна содержит съемное укрытие, размещенное в верхней ее части и выполненное из теплоизоляционного материала, при этом анодные и катодные токопроводящие стержни выполнены из меди.

Бортовые блоки предпочтительно выполнены из неэлектропроводного материала. Устройство содержит анодные и катодные токопроводящие стержни, выполненные из меди. Пористая мембрана может быть выполнена многослойной, в частности, мембрана содержит слои электропроводного и электроизоляционного материала, чередующиеся между собой. Целесообразно, чтобы мембрана была выполнена из перфорированных пластин с размерами отверстий, исключающих продавливание металла. В качестве материала мембраны использована, в частности, оксидная керамика, углеродные материалы, неорганические волокна, при условии, что материал мембраны не позволяет очищаемому расплаву и катодному металлу проникнуть через нее, за счет эффекта смачивания и капиллярных сил. Мембрана предпочтительно пропитана хлоридно-фторидным электролитом.

Также заявлен способ электролитического рафинирования алюминия или его сплавов, в котором для электролитического рафинирования используют предложенное устройство. Способ включает заполнение анодной части алюминием или его сплавом и катодной части электролитом, содержащим фториды и хлориды алюминия и натрия, и проведение электролитического рафинирования с использованием пористой мембраны, пропитанной электролитом, при этом осуществляют электролитический перенос ионов алюминия или его сплава от анодной поверхности, ограниченной пористой мембраной, расплавом электролита к поверхности катода, при заданных температуре электролита и плотности тока, при которых на аноде не происходит растворения менее электроотрицательных металлов, чем алюминий или его сплав, и не происходит осаждения более электроотрицательных, чем алюминий или его сплав, металлов на катоде. При осуществлении процесса обеспечивают поддержание пропитки электролитом мембраны. Пористая мембрана полностью пропитана электролитом для переноса ионов алюминия и предотвращен прямой контакт анодного и катодного алюминия.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к конструкции электролизера и способу рафинирования алюминия или его сплавов. Устройство содержит ванну с подовыми и бортовыми блоками для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава, пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава и проницаемую для электролита и катионов алюминия, для разделения расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями, используемого в качестве анода с анодным токоподводом, и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава в качестве катода с катодным токоотводом. Пористая мембрана размещена в ванне вертикально с возможностью разделения ванны на емкости с анодным и катодным алюминием или алюминиевым сплавом, причем верхняя часть пористой мембраны снабжена емкостью для обеспечения пропитки мембраны электролитом, а в нижней части мембрана закреплена на опоре, выполненной из неэлектропроводного материала, ванна содержит съемное укрытие, размещенное в верхней ее части и выполненное из теплоизоляционного материала, при этом анодные и катодные токопроводящие стержни выполнены из меди. Изобретение позволяет снизить рабочее напряжение электролизера и уменьшить удельный расход энергии. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для электролитического рафинирования алюминия или его сплавов, содержащее ванну с подовыми и бортовыми блоками для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава, пористую мембрану, пропитанную электролитом, непроницаемую для расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава и проницаемую для электролита и катионов алюминия, для разделения расплавленного алюминия или алюминиевого сплава с электроположительными примесями, используемого в качестве анода с анодным токоподводом, и расплавленного рафинированного алюминия или расплавленного рафинированного алюминиевого сплава в качестве катода с катодным токоотводом, отличающееся тем, что пористая мембрана размещена в ванне вертикально с возможностью разделения ванны на емкости с анодным и катодным алюминием или алюминиевым сплавом, причем верхняя часть пористой мембраны снабжена емкостью для обеспечения пропитки мембраны электролитом, а в нижней части мембрана закреплена на опоре, выполненной из неэлектропроводного материала, ванна содержит съемное укрытие, размещенное в верхней ее части и выполненное из теплоизоляционного материала, при этом анодные и катодные токопроводящие стержни выполнены из меди.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что бортовые блоки выполнены из неэлектропроводного материала.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пористая мембрана выполнена многослойной.

4. Устройство по п. 1 или 3, отличающееся тем, что мембрана содержит слои электропроводного и электроизоляционного материала, чередующиеся между собой.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мембрана выполнена из перфорированных пластин с размерами отверстий, исключающих продавливание металла.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала мембраны использованы, в частности, оксидная керамика, углеродные материалы, неорганические волокна, при условии, что материал мембраны не позволяет очищаемому расплаву и катодному металлу проникнуть через нее за счет эффекта смачивания и капиллярных сил.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мембрана пропитана хлоридно-фторидным электролитом.

8. Способ электролитического рафинирования алюминия или его сплавов посредством устройства по любому из пп. 1-7, включающий заполнение анодной части алюминием или его сплавом и катодной части электролитом, содержащим фториды и хлориды алюминия и натрия, и проведение электролитического рафинирования с использованием пористой мембраны, пропитанной электролитом, при этом осуществляют электролитический перенос ионов алюминия или его сплава от анодной поверхности, ограниченной пористой мембраной, расплавом электролита к поверхности катода, при заданных температуре электролита и плотности тока, при которых на аноде не происходит растворения менее электроотрицательных металлов, чем алюминий или его сплав, и не происходит осаждения более электроотрицательных, чем алюминий или его сплав, металлов на катоде.

9. Способ по п. 8, в котором обеспечивают поддержание пропитки электролитом мембраны.

10. Способ по п. 8, в котором пористая мембрана полностью пропитана электролитом для переноса ионов алюминия или его сплавов и предотвращают прямой контакт анодного и катодного алюминия или его сплава.