Биполярный электролизер для получения алюминия Советский патент 1983 года по МПК C25C3/06 

(54) БИПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ .АЛЮМИНИЯ

,

Изобретение относится к электролйт ческому полученшо лепсих металлов, в частности.алк 1иния электролизом рао- . плавов галогенидов.

Известен биполярный электролизер, имеющий камеру для обслуживания, отделенную разделительной перегородкой от рабочих ячеек с биполярными электродами, В камере имеются BejpKHiie и нижние каналы сообщения рабочего отделения с ячейками для обслуживайия 1.

Известен электролизер, в котором нерабочие поверхности биполярных электродов noKjHJTbi огнеупорными изолируюм щими материал ами 2.

Известен также электролизер с гор зонтальным расположением биполей и футеровкой из нитридов и оксвнитрвдрв металла, стеклянной изоляцией вместе с обычными огнеупорами

Общие недостатки всех указанных вы-. ше биполярных электролизеров следуюоше. Применение керамики для футеровки апек- тролизера и изоляции боковых граней бвполей, которая пропитывается электролв том, металлизируется и взаимодействует с электролите. Кроме того, футеровка, выполненная из окислов, смеси окислов с нитридами, из стекла частично растворяется в галогенидах щелочных металлов и алюминия. Это приводит к преждевр менному разрушению футеровки и анода, а также к загрязненто получаемого металла.- Сложность внутреннего устрой10ства электролизера за счет футеровки, необходимости устройства рабочей камеры и камеры обслуживання, устройства каналов для сбора металла, экранировки боковых нерабочих граней электродов огне

fs упорной кладкой, необходимости устройнства каналов для циркуляции. Все его приводит к увеличевню трудозатрат ва устройство футеровки, повышенному расходу огнеупоров и солей (которые впиты20ваются в футеровку) в сввжеввю срока служ алектропизеров, т.е. к аасскт/м материальным в трудовым затратам на осуществпевяе процесса.

Наиболее близким к изобретению техничесжим решением является биполярный электролизер для получения легких металлов. Электролизер выполнен в виде прямоугольной футерованной ванны, в которой размещены однополярный анод, катод и биполярные электроды. Однопс яярные анод, катод установлены вертикально в торпах ванны, а вертикальные електроды-бкполи равномерно размещены но ее длине. Поверхность катодных чаотей биполей в 1,5-2 раза меньше поверхности анодных частей бкполей. Часть поверхности катод.ных частей биполей изолирована огне5гпорным кирпичом. Поверхности катодных частей биполей выполнены со скосами по направлению к их анодным частям 143Основным недостатком данного электролизера является устройство футеровки №3 огнеупорного кирпича для изоляции стенок электролизера и части поверхност катодных частей биполя Устройство специального сборника или сборной ячейки усложняет конструкцию электролизера, снижает надежность работы агрегата. Применение футеровки из огнеупорного кирпича приводит к растворению окислов в электролите, образованию шлама в электролизере, потерям металла, снижешпо его качества и усложнению работы электролизера. При пропитывании футеровки происходят потери электролита и для увеличения ее изоляционной способности необходимо делать-более толстую футеровку.

Цель изобретения - упрощение конструкции электролизера, улучшение качества металла и снижение эксплуатационных зат|мт на его получение.

Поставленная цель достигается в бин полярном электролизере для получения алюминия, содержащем охлаждаемый с крышкой, группу вертикальных электродов, включающую однополярные анод и катод и равномерно распределенные между НИМИ биполи, который содержит две грушш электродов, установленных так, что аноды обеих rpyim находятся в центре электролизера, а катоды - в его торцах, причем все вертикальные электроды подвешены ш таоляционных вставках, установленных выше уровня гарнисажа.

В таком электролизере футеровка выполнена из твердого электролита.

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

На фиг. 1 показан б1шолярный электролизер, продольный разрез; т фиг. 2то же, вид сверху, со снятой крышкой; на фиг. 3 - график изменения толщины слоя гарнисажа от температур стенки.

Электролизер представляет собой прямоугольный металлический охлаждаемый снаружи кожух Сфиг.1),в котором установлены группы электроцов.каждая из груш состоит из анода 2, катода 3 и одного или нескольких биполей 4. Обе группы расположены так, что аноды 2 расположены рядом, в центре электрол зера, а катоды 3 - по противоположным торцам. Все электроды расположены так, что между боковыми стенк/ами электролизера и нера;бочими боковыми гранями электродов находится зазор, котора 1й в рабочем состоянии заполнен твердым электролитом - гарнисажем 5. Гарнисажем покрыты дно и торцовые стенки электролизера. 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. Раостояние от торцов электродов до зеркала металла должно быть значительно больше, чем суммарная величина межполюсных зазоров между электродами в одной группе. На подине электролизера возможна установка теплоизоляции из одного - двух слоев стекла, слоя шамотного кирпича и слоя силицированного графита, общей толщиной 40-50 мм.

Перед пуском электролизера однополя1 ные электроды устанавливаются на специальных токоподводах 7, введенных сквозь стенки электролизера и отдельных от них за счет изоляции из талькохлорита 8 и фторопласта 9. Биполярные электроды 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 однополяршыми влект родами и стальными стенками электролизера равны по длине выступающим го биполей изоляционным вставкам, чтобы расстояние от стенки до всех электродов было одинаковым. Оно должно быть в пределах 2-15 см в заввсвмости от. состава и размеров электролизеров. В стенке эпектропизера с наружной стороны делают продольный паэ 11, которь1й закрывают сверху тонким стальны листом. В этот паз устанавливается тер мопара, которая показывает температуру теплоотдающего листа. Токрподводы к однополярным электролизерам к изолято ры к биполям устанавливают на 5-25см выше уровня, расплава, покрывающего слой металла 12. В водбохлаждаемой крышке 13 электролизера вдоль поп&речной оси предусмотрены отверстия 14 для загрузки хлористого алюминия, выливки металла, установки термопар и других целей (не менее 3-х). Они Haxt дятся над пространством между двумя анодами. Злектролизер работает следующим об разом. В металлический водоохлаждаемый электролизер с воздушной прослойкой (фиг. 1 и 2) устанавливают 2 группы электродов, заливают электролит, вклк чают 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 закрывают крышкой, включают устройство подачи хлористого алюминия и подают постоянный ток. Ток подводят к двум па раллельно включенным анодам в центре электролизера и от них через электролит и биполи он расходится к торцовым като дам 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 сторон биполей и на однополярном аноде выделя ется хлор, а на катоде и катодных сторонах биполей - металл. Хлор прднимае1 ся вверх, увлекая электролит и перемешивая его, а металл стекает вниз и накапливается в копильника электролизера ниже электродов. Восходящие потоки анодных газов заставляют электролит двигаться от торцов к середине, где иде загрузка хлористого алюминия явля1о. щегося расходуемым материалов. Электролит обогащается и как более тяжелый растекается по дну электродазера, далее подхва 1е нный потоком .вобходящих струй электролита перау«ешввается с остальным расплавом. Два однополюсных электрода в пентре электролизера создают наиболее благоприятные условий для поддержания электролита в жидком состоянии и облегчения операции по обслуживанию электролизера. По достижении определенного технологией количегства металла на подиие электролизера, он с помощью вакуум-ковша через отверстие 14 в крышке 13 удаляется из электролизера. Хлор по мере образования по закрытому трубопроводу эвакуируется из электролизера. Температура стенки электролизера является указателем толщины гарнисазка. .Согласно технологическим расчетам имеется одно.значная и весьма сильная связь между толщиной га рнисажа и температурой металлической стенки, отделяющей гарнисаж от воздушной прослойки (А ( , t -Ьцоды позволяет использовать температуру -Ь как показатель для оценки и регулирования пристеночного слоя затвердевшего электролита (фиг. 3). Так при температуре электролита 72О°С и толщине гарнисажа 8О мм температура теплоотдающего листа на границе с воз душной прослойкой равна . Повыше ние рабочей температуры на првн водит к повышению температуры теплоотдающего листа до и сниженное толщины гарнисажа до 50 мм. Чтобы определить нeoбxoди yю толщину гарнисажа, зазор между электродами и металлической стенкой выбирают в соответствии с фиг. 3 и подвешивают однополярные электроды на специальных водоохлаждаемых токоподводах. Биполярные электр1 ды 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 величина диктуется кол&баниями уровня металла 12 на подине, а вместе с ним и верхней границы электролита в период между двумя выливками металла вз электролизера. Пример 1.В электролизере ла бораторного типа из нepikaвeющeй стали с водоохлаждаемыми стенками устанавливают три электрода из гpaфиta. Электролизер имеет прямоугольную форму с размерами 160i 12О 18О. Крайние элек.троды (однополярные) подключаются к сети постоянного тока, средний -, биполярный - не подключен. В процессе наплавления электролита образовывается бортовой гарнвсаж у водоохоюждаемых стенок в дна электролвзера.Толшина гарнвсажа колеблется от 1,5 до Зсм.Боковые грани б1шолярного электрода вмерзают в гарвг саж и образовываются две ячейки, одна сторона бипопя 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 электрода, затем через электрод на анодную часть биполярного электрода снова через электролит на катод. Металл с катода и катодной стороны биполярного электрода собирается на дне электролизера. Вследствие ограниченного размера пространства под электродами Hacjb тока огибает биполь и проходит через металл, он является как бы вторым биполем. При этом часть металла растворяется. В промышленном электролизере расстояние от концов электродов должно быть значительно больше расстояния между электродами. В качестве электролита берут смесь солей, мас,%: NoCS 80; ЫаР8,9; ABCEj ЮД. Расходуемым компонентом является количестве 5-15 мас.% расплавленного электролита, кот загружают порциями по 100 г через каждые 1О мин, чтобы поддерживать такую концентрацию. На электролизере поддерживается сила тока 200 А, напряжение 12,5-13 В. Про пускается 55О Л/ч температура процеоса 720-750С. Получается 16О т алюминия или 43% от теоретического при работе двух последовательно соединенных ячеек. Качество металла следующее (% примесей по массе):Fe 0,21; Си 0,007О,013; Si 0,15-0,25, т.е. алкыиний марок А-5, А-7. Пример 2. Расположение и ра меры и условия аналогична предыдущему. Соотношения площадей катодной и анодной стороны биполярного электрода 2,3:1. Температура электролита , расстояние между электродами 23 мм. Пропускается 293 А/ч при средней силе тока 2ОО А. Напряжение на электролизере 10,5-12,5 В. Получается 10О г алкминия или 51,5% от теоретического колен чества из расчета последовательной ра,боты двух ячеек. Примерз. Герметичный стальной электролизер (фиг. 1 и 2), имеющий внутренние размерил 730- 360 «720 мм водяное охлаждение, воздушную рубашку, 2 катода, установленные по торцам, 2 анода, расположенные в центре н по 2 биполя между катодами и анодами. Раостояв ие от боковых граней электродов до стальной стенки составляет 22-25 мм Аноды подвешены каждый на 2-х соосно расположенных 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 углуби ления в электроде, а вторым опирающихся на заплечики, приваренные к кожуху. В нижней части электролизера находился копильник металла. В боковых торцовых стенках и днише металла установливаются термопары. Через отверстия в водоохлаждаемой крышке электролизера опускается TefMonapa в расплав электролита. Во время наплавления электролита на днище и стенках электролизера образовывается гарнисаж из твердого непроводящего ток электролита, толщина гарнисажа зависит от температуры расплава. Состав расплава следующий, вес.%: ЫаССЗО; AtCC 9,0; MaF 11. При нагрузке на электролизер 10ОО А (переменного тока) температура расплава , толщина гарнисажа 40 мм, температура теплоотдающего листа (средняя), С: боковых , стенок 410, торца 405, днища 350. Пробоя гарнисажа во время работы в твчение суток не обнаружено. Электролиз не проводится, так как в данном опыте ис- спедуют условия формирования и удержания гарнисажа. Применение герметичного гарнисажного биполярного электролизера 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 электродов. Так в хол1эстом опыте при силе тока 900 А падение напряжения в токоподводах составляет менее 2-х В, а при наплавленном электролите - 8 В. Ис пользование 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 электродов в одном корпусе и параллельная установка двух анодов в центре электролизера создают лучшие возможности апя обслуживания элекгропизера (загрузки и растворения АЕС выпивки металла, замера уровня металла, электролита, измерения температуры) . Формула изобретения 1. Биполярный электролизер для получения алвдминия, содержащий охлаз даемый корпус с крышкой, группу вертикал ных электродов, включающую однополярные анод и катод и равномерно распределенные между ними биполи, отличающийся тем, что, с целью упр щения конструкции, по№1шения качества получаемого металла и снижения матери альных и трудовых затрат на обслуживание, он содержит две группы электродов установленных так, что аноды обеих гру расположены в центре э лектролизера, а катоды - в его торцах, причем все ве{ тикальные электроды подвешены на «Д|

д рПГ|| II и и II и 1 в II

ps191.0 ляшгонных вставках, установленных выше уровня гарнисажа. 2. Электролизер-по п. 1,от л и ч аю ш и и с я тем, что футеровка электролизера №шолнена из твердого электролита. 3. Электролизер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью обеспечения удобства обслуживания, водоохлаждаемая крышка электролизера выполнена с отверстиями над межанодным пространством. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство № 6О5864, кл. С 25 С 3/О8,. 1976. . 2. Авторское свидетельство СССР № 623908, кл. С 25 С 3/08, 1977. 3. Патент США № 3785941, кл. 2О4-67, 1974. 4. Авторское свидетельство СССР № 594213, кл. С 25 С 3/О8, 7/ОО, 1975.