Способ получения алюминия электролизом криолитглиноземного расплава и электролизер для его осуществления

 

Использование: получение металлического алюминия. Сущность: экранирование периферии жидкого катода диафрагмой, расположенной под жидким катодом, а также подвод тока к дополнительному слою жидкого алюминия, расположенного под диафрагмой, приводит к гашению конвекции жидкого алюминия. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии.

Известен способ получения алюминия путем электролизера криолитно-глиноземистого расплава на твердом катоде из тугоплавкого материала (Патент США N 4532017, н.кл. 204-67, м.кл. С 25 С 3/06, 3/08, 1985 г.). В электролизере, реализующем этот способ, катодные элементы из диборида титана выполнены плавающими на поверхности жидкого алюминия и находятся в непосредственном контакте с криолито-глиноземистым расплавом, причем нижние части катодных элементов расположены в гнездах матрицы, которая погружена в жидкий алюминий.

Покрытие жидкого алюминия твердыми катодными элементами уменьшает неконтролируемое волнение поверхности катода. Стойкость диборида титана в криолито-глиноземистом расплаве и в жидком алюминии выше, чем у графита и ряда других материалов. Однако и диборид титана растворяется в этих средах. Подвижность катодных элементов повышает их чувствительность к износу, приводит к необходимости многократной их замены за время службы электролизной ванны, что осложняет непрерывную выплавку алюминия. Кроме того, присутствие движущихся деталей повышает трудоемкость изготовления катодного узла алюминиевого электролизера.

В другом известном способе получения алюминия жидкий катод секционируют, причем каждая секция имеет вид стакана, установленного на дне электролизера (патент США N 4460440). Снаружи стенки стакана омывает криолито-глиноземистый расплав, что усиливает износ катода и делает эту конструкцию не приемлемой для непрерывного производства алюминия.

Параллельно с поиском новых катодных материалов продолжается совершенствование способов, использующих жидкий алюминиевый катод со свободной поверхностью, то есть без влияния твердых элементов на форму границы раздела двух жидкостей алюминия и ионного расплава в зоне электролиза при стационарном его течении. К таким элементам относятся выступы, наклонные электропроводные пластины со стоком алюминия, стенки с мениском жидкого металла. Под действием силы тяжести, в отсутствие магнитогидродинамических возмущений свободная поверхность жидкого катода приобретает вид горизонтальной плоскости, параллельной поверхности твердого анода.

Известен способ получения алюминия, включающий электролиз криолито-глиноземистого расплава на свободной поверхности жидкого алюминиевого катода, центральная часть которого расположена под твердым анодом, и гашение конвекции жидкого алюминия с помощью гранулированного наполнителя (патент США N 4824531).

Электролизер, реализующий этот способ, включает ванну с бортами и подиной, твердый анод, погруженный в ионный расплав, жидкий алюминиевый катод со свободной поверхностью, ограниченной бортовой настылью, и демпфирующий элемент в виде слоя гранулированного тугоплавкого материала, засыпанного на подину ванны.

Слой гранулированного материала замедляет конвекцию жидкого алюминия, обусловленную магнитогидродинамическим эффектом. Однако он не устраняет причину конвекции неравномерное распределение тока в жидком алюминии из-за неравнодоступности дна ванны. В частности, неблагоприятную для работы электролизера горизонтальную составляющую тока вызывают коржи криолита, застывшего на дне ванны. В этих условиях засыпка гранулированного материала способна усилить неравномерность распределения тока, вытесняя горизонтальную составляющую тока в свободный от засыпки приповерхностный слой жидкого алюминия, что увеличивает искажения формы поверхности, связанные с конвекцией.

Подобно известному способу, предлагаемый способ получения алюминия включает электролиз криолито-глиноземистого расплава на свободной поверхности жидкого алюминиевого катода, центральная часть которого расположена под твердым анодом, и гашение конвекции жидкого алюминия. Новым является то, что периферию жидкого катода экранируют с помощью диафрагмы, расположенной под жидким катодом и имеющей под анодом электропроводный участок, а ток к поданодной области диафрагмы подводят с помощью дополнительного слоя жидкого алюминия, расположенного под диафрагмой. При этом горизонтальная составляющая тока сосредоточена в дополнительном слое жидкого алюминия у дна ванны, а в жидком катоде преобладает вертикальная составляющая тока. Прохождение тока через электропроводный участок диафрагмы способствует выравниванию плотности тока вдоль поверхности жидкого катода.

Электропроводность поданодного участка диафрагмы обеспечивают выполнением на этом участке в диафрагме открытых пор в виде отверстий, диаметр которых меньше их длины.

Предлагаемый электролизер для получения алюминия включает ванну с бортами и подиной, твердый анод, погруженный в ионный расплав, жидкий алюминиевый катод со свободной поверхностью, ограниченной бортовой настылью, и демпфирующий элемент. Новым является то, что в качестве демпфирующего элемента применена размещенная под жидким катодом диафрагма, края которой сомкнуты с бортовой настылью, между диафрагмой и подиной расположен на дне ванны дополнительный слой жидкого алюминия, а находящийся под анодом участок диафрагмы выполнен электропроводным.

Края диафрагмы скреплены с бортами ванны. Жидкий катод сообщается с дополнительным слоем жидкого алюминия через сквозные отверстия в диафрагме на ее участке, расположенном под анодом. Борта ванны снабжены карнизами для установки диафрагмы. Диафрагма имеет вид плиты, составленной из балок, концы которых опираются на карнизы бортов. Возможен вариант электролизера, с выполнением расположенного под анодом участка диафрагмы из сплошного электропроводного материала.

Выравнивание диафрагмой плотности тока в жидком катоде и как следствие демпфирующее действие диафрагмы на конвекцию жидкого алюминия обусловлены тем, что средняя удельная электропроводность пористого поданодного участка диафрагмы ниже электропроводности жидкого алюминия. Смыкание краев диафрагмы с бортовой настылью перекрывает обходные пути тока от подины к катоду. Защита диафрагмы от воздействия ионного расплава слоем жидкого алюминия замедляет коррозию диафрагмы и обеспечивает работу электролизера в режиме непрерывного производства алюминия.

На фиг. 1 показан электролизер для получения алюминия, разрез; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1 (увеличено); на фиг.4 вариант выполнения электролизера; на фиг.5 вид по стрелке В на фиг.4.

Электролизер для получения алюминия включает ванну 1 с бортами 2, 3 и подиной 4, в которую заделаны токоподводящие брусы 5. Ванна опирается на основание 6. Внутри ванны находится жидкий катод 7 из расплавленного алюминия со свободной поверхностью 8, покрытой слоем 9 ионного расплава. Сверху в ионный расплав частично погружены твердые аноды 10, 11 в виде графитовых блоков 12, подвешенных на штангах 13.

В ванне установлена диафрагма 14, отделенная от подины зазором 15. Образованный катодом слой 16 жидкого алюминия защищает диафрагму от воздействия ионного расплава. Под диафрагмой расположен дополнительный слой 17 жидкого алюминия, примыкающий к дну 18 ванны. Диафрагма имеет вид плиты 19, составленной из балок 20, 21, концы которых опираются на карнизы 22 бортов ванны. Опорой центральной части балок служит барьер 23, в котором выполнены проемы 24, соединяющие области слоя 17 жидкого алюминия, расположенные под анодами 10 и 11.

Участки диафрагмы, расположенные под каждым из анодов 10, 11, выполнены пористыми. Поры имеют вид круглых цилиндрических отверстий 25, 26, 27, диаметр а которых меньше толщины b диафрагмы (фиг.3). Край плиты прижат к карнизу пластиной 28 и покрыт настылью 29. Под каждой парой анодов 10, 11 расположена одна балка, имеющая общую с парой анодов плоскость 30 симметрии. Балки и аноды расположены в ванне с шагом с (фиг.3, 5). Балки разделены калиброванными зазорами 31. Перфорированная область 32 каждой балки имеет вдоль балки протяженность g, равную протяженности f анода в этом направлении (фиг. 1, 2). Дно 18 ванны имеет склоны 33 со снижением от центральной части дна к периферии в плоскости 31. На корку 34 отвержденного расплава засыпан слой 35 порошкообразного глинозема. Дно ванны частично заполнено осадком 36 глинозема. Осадок может быть удален путем отсоса вместе с жидким алюминием через вспомогательный люк 37 в диафрагме.

Кроме того, электролизер может содержать ряд дополнительных элементов. Диафрагма может быть покрыта слоем волокнистого керамического материала, например, тканью 38 из керамического волокна, а также слоем гранул 39 из тугоплавкого материала. Для уменьшения конвекции в придонном слое 17 в него может быть введен волокнистый наполнитель 40, например, в виде керамической ваты, пропитанной алюминием. Диафрагма фиксирует положение ваты, препятствуя ее переходу в приповерхностный слой 16.

В другом варианте электролизера (фиг.4, 5) диафрагма 41 выполнена сплошной из электропроводного керамического материала. Расположенные под анодами электропроводные участки 42 диафрагмы ограничены изолирующим керамическим покрытием 43. Балки 44, составляющие диафрагму, уложены на карнизы ванны впритык одна к другой, без заделки щелей, обеспечивающих гидродинамический контакт придонного слоя 17 жидкого алюминия с приповерхностным слоем 16. Подина может быть выполнена из изолирующего материала и снабжена при этом стержневыми токовыводами 45, выступающими в придонный слой жидкого алюминия. Зазоры 31 между балками 20, 21 могут быть частично закрыты прокладками 46. На верхней стороне диафрагмы могут быть установлены ограждения 47, 48 для удержания глинозема в процесс его растворения.

Вместо прямоугольной ванны с двумя рядами анодов 10, 11 (фиг.1, 2) в электролизере может быть применена круглая ванна с анодами, расположенными по кольцу, и с диафрагмой в форме диска.

Детали электролизера выполнены из следующих материалов. Диафрагма 14 из оксида алюминия ( α -Al₂O₃) или из оксида магния (MgO), стойких в среде жидкого алюминия. Борта 2, 3, подина 4 ванны и пластина 28 из графитированных углеродистых блоков на основе кокса и каменноугольной смолы, либо из изолирующего композиционного материала, включающего оксид алюминия и отвержденный криолит, с электропроводными вставками 45 из углерода либо диборида титана. Основание 6 из корунда. Аноды 10, 11 из обожженного углеродистого материала. Брус 5 из стали. Ионный расплав в слое 9 раствор глинозема (2.10 вес.) в расплавленном криолите с добавками фтористых магния и кальция. Настыль 29 криолит, отвержденный из ионного расплава, либо искусственный изолирующий материал. Сплошная диафрагма 41 из углеродистого материала с покрытием из диборида титана и изолирующим покрытием 43 из нитрида алюминия; либо из карбида кремния с изолирующим покрытием 43 из нитрида кремния.

Пористость Θ диафрагмы на поданодных ее участках выбирают согласно неравенству Θ < bh/c², где b толщина диафрагмы; с шаг расположения балок 20, 21; h высота зазора 15 между диафрагмой и дном ванны (при переменных вдоль ванны параметрах b и h используют их минимальные значения).

Для пор в виде гексагонально расположенных отверстий 25, 26 (фиг.2) Θ (π/2) (a/q)² где а диаметр отверстия, q расстояние между центрами ближайших отверстий. В частности, Θ0,1 при а/q= 1/3. Размеры деталей электролизера находятся в следующих пределах. Толщина диафрагмы 14-100.250 мм; диаметр отверстий 25, 26 2.20 мм; пористость поданодного участка диафрагмы 0,01.0,2; шаг расположения балок 20, 21 400. 800 мм; протяженность поданодной области балки 500.1000 мм (параметр g); толщина придонного слоя 17 жидкого алюминия 100.200 мм; толщина приповерхностного слоя 16 жидкого алюминия 10.100 мм; межполюсной зазор (толщина слоя 9 ионного расплава) 20.50 мм.

Монтаж электролизера производят в следующем порядке.

Из углеродистых блоков собирают подину и борта ванны, заделывают швы, составляют диафрагму 14 из балок 20, 21, опуская их на карнизы 22 бортов, футеруют борта пластинами 28. Разогревают ванну с диафрагмой, заливают в ванну жидкий алюминий до полного покрытия диафрагмы жидким алюминием, вводят в ванную ионнный расплав, опускают аноды и включают электролизер в серию.

В процессе получения алюминия электрический ток проходит через брус 5, подину 4, придонный слой 17 жидкого алюминия, отверстия 25, 26, 27 в диафрагме, приповерхностный слой 16 жидкого алюминия, слой 9 ионного расплава, графитовый блок 12 анода. В придонном слое 17 ток от бруса 5 расходится в противоположных направлениях 49, 50. Диафрагма способствует ориентации тока в жидком катоде в вертикальном направлении 51.

Под влиянием суммарного магнитного поля электролизера в жидком алюминии возникает градиент давления, вызывающий вихревые течения 52. Диафрагма затормаживает распространение течений из придонного слоя 17 в приповерхностный слой 16 и за счет этого ограничивает высоту волн 53 на свободной поверхности катода. Диссипация кинетической энергии жидкого алюминия в порах диафрагмы способствует гашению вертикальных автоколебаний катода и обусловливает этим магнитогидродинамическую устойчивость электролизера. Замедляя вертикальные течения, диафрагма уменьшает также стационарное искривление свободной поверхности катода в тем большей степени, чем тоньше приповерхностный слой 16. При необходимости аналогичное искривление может быть выполнено на верхней стороне диафрагмы, например, путем частичного растворения материала диафрагмы в ионном расплаве.

Регулировкой межполюсного зазора температуру слоя 9 ионного расплава поддерживают в интервале 940.970^оС при средней анодной плотности тока в электролизерах серии 0,6.1,0 А/см². Толщину приповерхностного слоя 16 жидкого алюминия контролируют, например щупом, и корректируют при сливе алюминия, который производят 1.2 раза в сутки с помощью вакуум-ковша.

Достигаемое описанным способом повышение устойчивости электролизера расширяет диапазон регулировки межполюсного зазора без риска короткого замыкания катода с анодом и позволяет за счет уменьшения зазора снизить расход электроэнергии в производстве алюминия.

Формула изобретения

1. Способ получения алюминия электролизом криолитглиноземного расплава, включающий подвод тока к жидкому алюминиевому катоду, отличающийся тем, что образуют дополнительный слой жидкого алюминия посредством диафрагмы, расположенной под жидким катодом и экранирующей периферию жидкого катода, при этом ток подводят к дополнительному слою под диафрагмой.

2. Электролизер для получения алюминия, содержащий ванну с бортами и подиной, анод, жидкий катод, демпфирующий элемент из электропроводного материала и средства для удержания демпфирующего элемента под анодом, отличающийся тем, что в качестве демпфирующего элемента используют диафрагму, образующую дополнительный слой жидкого алюминия и экранирующую периферию жидкого катода, диафрагма размещена под жидким катодом, а ее края соединены с бортами ванны, при этом часть диафрагмы, расположенной под анодом, выполнена электропроводной.

3. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что он снабжен карнизами, расположенными на бортах ванны.

4. Электролизер по пп.2 и 3, отличающийся тем, что диафрагма выполнена в виде плиты, составленной из балок, концы которой соединены с карнизами.

5. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что часть диафрагмы, расположенной под анодом, выполнена со сквозными круглыми отверстиями.

6. Электролизер по п.5, отличающийся тем, что диаметр каждого отверстия меньше длины этого отверстия.

7. Электролизер по п. 2, отличающийся тем, что диафрагма выполнена из оксида алюминия.

8. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что диафрагма выполнена с изолирующим покрытием, нанесенным по периферии диафрагмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5