Способ получения алюминия электролизом криолитглиноземного расплава и электролизер для его осуществления
Авторы патента:
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 (![](https://img.findpatent.ru/chr/945.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/920.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/920.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/920.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/960.gif)
![](https://img.findpatent.ru/img_data/279/2792020.gif)
![](https://img.findpatent.ru/chr/920.gif)
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
Похожие патенты:
Катодный кожух алюминиевого электролизера // 2053315
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к получению алюминия электролизом в криолитглиноземных расплавах
Катодный кожух алюминиевого электролизера // 2051204
Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к электролитическому получению алюминия, к конструкции катодного кожуха алюминиевого электролизера
Изобретение относится к электролитическому производству алюминия, в частности к анодному устройству алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и с верхним токоподводом
Изобретение относится к конструкции алюминиевых электролизеров и позволяет повысить надежность работы устройства благодаря тому, что оно снабжено регулятором вязкой анодной массы, который может быть выполнен в виде одного или нескольких трубчатых электронагревателей, установленных в сквозном трубчатом кармане, пропущенном через боковые стенки в нижней части бункера; или в виде одного или нескольких трубопроводов, пропущенных через боковые стенки в нижней части бункера и связанных через смеситель с трубопроводами горячего или холодного теплоносителя; или в виде змеевика, установленного вокруг нижней части бункера и связанного через смеситель с трубопроводами горячего и холодного теплоносителя; или в виде задвижки, выполненной из двух скрепленных между собой пластин и образующих полость, внутри которой установлен электронагреватель
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при монтаже подины алюминиевых электролизеров
Изобретение относится к конструкции алюминиевых электролизеров
Изобретение относится к элетктроизоляционным материалам, состоящим из огнеупорных компонентов и используемым в цветной металлургии, например, в качестве заполнителя электроизоляционных зазоров между катодными стержнями и металлическим кожухом алюминиевого электролизера
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при монтаже подины электролизера для получения алюминия
Способ предупреждения анодных эффектов // 2055942
Способ получения алюминия из алюмосиликатов // 2052544
Шихта для питания алюминиевых электролизеров // 2049159
Способ получения алюминия // 2032773
Изобретение относится к электролизу алюминия
Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано для регенерации фтора из электролизных газов алюминиевого производства
Способ электролитического получения алюминия // 2027799
Электролизер для получения алюминия // 2023057
Изобретение относится к получению алюминия электролизом глинозема, растворенного в электролите из жидкой соли