Электролизер для получения алюминия

 

Использование: цветная металлургия, в частности электролитическое получение алюминия, конструкция устройства для подачи глинозема в расплав алюминиевого электролизера. Сущность изобретения: продавливающие элементы (пробойники) устройства АПГ выполнены наклонно под углом 5 - 18^o к вертикали в направлении от борта катода к аноду алюминиевого электролизера, при этом отношение расстояния между анодом и осью пробойника в точке касания поверхности электролита к расстоянию борт-анод составляет 0,33 - 0,12. Выпускные элементы газосборника на своей внутренней поверхности, обращенной к пробойнику, могут быть снабжены направляющими элементами, рабочая поверхность которых параллельна пробойнику и расположена на расстоянии 0,1 - 0,5 его диаметра или определяющего размера сечения. Пробойники могут быть выполнены с рабочей поверхностью прямоугольного сечения, составляющей 0,6 - 1,5 площади пятна глинозема, загружаемого на корку. Технический результат - повышение производительности электролизера, снижение расхода электроэнергии, глинозема, затрат физического труда. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и конструкции устройства для подачи глинозема в расплав алюминиевого электролизера.

Известен электролизер с самообжигающимся анодом и верхним токоповодом для получения алюминия, включающий устройство для подачи глинозема в подколокольное пространство, рабочие органы для ввода глинозема в электролит, закрепленные на нижней и верхней балках, согласно которому рабочие органы установлены вертикально, глинозем под действием сжатого воздуха распыляется под газосборный колокол равномерно по длине электролизера на корку [1].

Вертикальное расположение рабочих органов - продавливающих элементов - определяет их вертикальное воздействие на электролитную корку. При этом глинозем распылен слоем равномерно по длине электролизера в зону, где рабочие органы одновременно воздействуют на корку по всей длине, погружая ее без разрушения в расплав.

Однако результаты длительных испытаний известного устройства показывают, что погружения корки в расплав без ее разрушения не происходит. Корка разрушается в точках воздействия продавливающих элементов, при этом часть глинозема (вне точек продавливания) не поступает в расплав. Вертикальное воздействие продавливающих элементов на корку не позволяет обрушить всю площадь корки, покрытой порцией глинозема. В результате происходит накапливание глинозема в непосредственной близости от анода. Это препятствует сходу анодных газов с кромки анода, приводит к расстройству технологического хода, снижению технико-экономических показателей. Кроме того, часть накопленного глинозема (при поступлении последующих порций) выдавливается продавливающими элементами наружу колокола, за пределы электролизера. Это приводит к потерям глинозема, ухудшению газовоздушной среды, дополнительным трудозатратам, невозможности поддержания концентрации глинозема в электролите в узких заданных пределах.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является электролизер для получения алюминия, содержащий устройство для подачи глинозема с бункером, дозатором в виде желоба с аэрирующей трубой на колоколе вдоль продольных сторон анода и козырька, закрепленного на кожухе анода, течку, выполненную в виде зазора между кожухом анода и колоколом, согласно которому глинозем через щель между стенкой желоба и козырьком в зазор между кожухом анода и секциями колокола потоком воздуха вдувается под колокол на поверхность электролита на расстоянии 5 - 8 см от боковой поверхности анода [2].

Накапливание слоя глинозема на поверхности электролитной корки на расстоянии 5 - 8 см от анода, как показывает практика электролиза, является препятствием сходу анодных газов с кромки анода и приводит к расстройству процесса электролиза. Данное явление еще более характерно при отсутствии операции обрушения корки согласно известному устройству.

В конечном итоге все указанные недостатки не позволяют внедрить известные устройства в промышленных масштабах.

Другим, наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для подачи глинозема в электролизер, содержащее бункер, транспортирующий механизм с приводом, выпускные элементы и продавливающие элементы с приводом, согласно которому внутри продолговатого бункера установлена продольная стенка, разделяющая его на накопительную емкость и расходную полость, расположенную возле анода и сопряженную с выпускными элементами, а согласно описанию устройства продавливающие элементы выполнены вертикально [3].

Испытания известного устройства на промышленном электролизере на силу тока 155 кА показывают, что при срабатывании продавливающих элементов происходит разрушение корки и ее протапливание вместе с находящимся на ней глиноземом. Однако часть порции глинозема остается за пределами площадки продавливания и не погружается в расплав. При вертикальном продавливании происходит накапливание глинозема на неразрушенной части корки вокруг площади продавливания пробойника точечного типа. Это указывает на недостаток технического решения, не позволяющий разрушать большую площадь корки, исключить "зависание" порций глинозема над расплавом. Кроме того, известное устройство не позволяет использовать зону с более активной циркуляцией электролита и более высокой его температурой, улучшающих условия обрушения электролито-глиноземной корки и растворение глинозема.

В результате указанные недостатки не позволяют исключить выдавливание "лишнего" глинозема с корки наружу за пределы катода, более стабильно вести процесс поддержания концентрации растворенного глинозема в электролите.

Цель изобретения - повышение производительности электролизера, снижение расхода электроэнергии, глинозема, затрат физического труда.

Цель достигается тем, что в алюминиевом электролизере, содержащем анодное устройство, катодное устройство с расплавом металла и электролита, бункер с накопительной емкостью и расходной полостью на анодном кожухе с колокольным газосборником, выпускные элементы, продавливающие элементы выполнены наклонно под углом 5 - 18^o к вертикали в направлении от борта катода к аноду, причем отношение расстояния между анодом и осью продавливающего элемента в точке касания поверхности электролита и расстояние бор-анод составляет 0,12 - 0,33, предпочтительнее 0,25. Выпускные элементы газосборника на своей внутренней поверхности, обращенной к продавливающему элементу, могут быть снабжены направляющими элементами, рабочая поверхность которых параллельна продавливающему элементу и расположена на расстоянии 0,1-0,5 его диаметра сечения. Продавливающие элементы могут быть выполнены с рабочей поверхностью прямоугольного сечения, составляющей 0,6 - 1,5 площади пятна порции глинозема, загружаемого на корку.

При наклоне продавливающего элемента в сторону анода возрастает площадь продавливания корки. Глинозему и корке придают направление движения - к аноду, в зону более высоких температур и скоростей циркуляции электролита; тем самым большая часть глинозема попадает в электролит за прием продавливания, улучшаются условия растворения глинозема. Наличие направляющих элементов на рабочей поверхности выпускных элементов газосборника обеспечивает формирование порции подаваемого глинозема в виде струи с направлением от борта к аноду. Это в сочетании с приемом продавливания корки в том же направлении исключает накапливание глинозема на корке и последующее выдавливание его за пределы газосборника, борта электролизера. При этом за счет угла естественного откоса глинозема, также образующегося в направлении от борта к аноду, используется зона наиболее активной циркуляции электролита для растворения части порций подаваемого глинозема без отрицательного влияния порций на беспрепятственный сход анодных газов с кромки анода.

Расположение рабочей поверхности направляющих элементов относительно продавливающих элементов на расстоянии 0,1-0,5 диаметра или сечения продавливающего элемента, во-первых, повышает кучность (компактность) струи глинозема, что улучшает условия поступления порции глинозема в электролит, одновременно, за счет кучности порции на корке, уменьшается контакт продавливающего элемента с расплавом электролита и налипание последнего, а во-вторых, в случае налипания электролита при движении продавливающего элемента относительно направляющего элемента происходит сдирание налипшего электролита, т.е. направляющий элемент выполняет вторую функцию - очищает пробойник от электролита.

Выполнение продавливающего элемента (пробойника) прямоугольного сечения с отношением сечения и площади порции глинозема в пределах 0,6 - 1,5 обусловлено следующим.

Наличие прямых углов на поверхности пробойника создает условия для формирования дифференцированного теплового потока от электролита к пробойнику и обратно, ухудшению смачивания. Это позволяет улучшить условия отслаивания налипшего электролита от поверхности пробойника при его остывании в исходном (верхнем) положении. Кроме этого, при продавливании корки происходит разрушение корки большей площади за счет наличия углов, чем, например, в случае пробойника круглого сечения.

В результате, это позволяет исключить накапливание критической массы глинозема на корке, улучшает равномерность поступления глинозема в электролит и условия его растворения.

Соотношение площади пробойника и пятна порции менее 0,6 приводит к усложнению конструкции направляющих элементов и возрастанию частоты срабатывания пробойников на единицу массы отдаваемого глинозема.

При указанном соотношении более 1,5 появляется вероятность "зависания" глинозема на корке до объемов, приводящих к выдавливанию "лишнего" глинозема за пределы газосборника и катода.

Численные значения угла наклона пробойника, отношения расстояния между анодом и осью пробойника к расстоянию "борт-анод", расстояния "пробойник-направляющий элемент", отношения сечения пробойника и "пятна" глинозема определены экспериментально и отражены в примерах реализации.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен фрагмент электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом.

Электролизер содержит катод 1 с криолито-глиноземным расплавом 2, анод 3 в анодном кожухе 4, усиленном контрфорсами 5, неподвижный кронштейн 6, жестко закрепленный на кожухе 4, бункер 7 глинозема с расходной полостью и дозирующим устройством в нижней части, подвижный кронштейн 8, несущий пневмопривод 9 продавливающего элемента (пробойника) 10, имеющего наклон под углом α к вертикали. Угол α может задаваться с помощью подвижного кронштейна 8. Бункер 7 содержит выпускные элементы 11 (верхний) и 13 (нижний) газосборника. Внутренняя рабочая поверхность нижнего выпускного элемента 13 газосборника снабжена съемным направляющим элементом 12 с рабочей поверхностью, параллельной пробойнику 10.

Электролизер работает следующим образом.

Глинозем загружают в приемный бункер 7. Дозированная порция глинозема через выпускной элемент 11 и направляющий элемент 12 нижнего выпускного элемента 13 поступает струей на корку на поверхности расплава с углом откоса в направлении от борта к аноду. Пробойнику 10 предварительно задают угол наклона от вертикали с помощью подвижного кронштейна 8, тем самым, задают расстояние A (между анодом и осью продавливающего элемента в точке касания поверхности электролита). Расстояние С задают путем замены съемного элемента 12.

Примеры реализации.

1. На промышленном электролизере типа С-8Б на силу тока 156 кА монтируют устройство подачи глинозема согласно представленному чертежу. Электролизер подключают к АСУТП типа "1 ВМ-ШУЭВМ" и ведут процесс электролиза с автоматической подачей глинозема и регулированием межполюсного расстояния (МПР) по заданной программе.

В ходе испытаний в течение 2 мес изменяют угол наклона оси пробойника и вертикали и за счет этого изменяют расстояние А и соотношения расстояний A и B. Осредненные результаты испытаний отражены в табл. 1.

2. Путем изменения толщины направляющих элементов 12 изменяют расстояние C. Результаты испытаний в течение 1 мес отражены в табл. 2.

3. Путем замены продавливающих элементов (пробойников) круглого сечения на пробойники прямоугольного (квадратного) сечения эквивалентной площади и путем изменения толщины направляющих элементов изменяют соотношение площади продавливающего элемента S_n и площади порции глинозема S_г загружаемого на корку. Результаты испытаний отражены в табл. 3.

Как следует из практических результатов, при наличии угла α, равном 5 - 18^o, выдавливания глинозема за колокол не происходит, и вся порция растворяется в электролите, при этом соотношение расстояний A и B находится в пределах 0,33 - 0,12 (табл. 1).

Соотношение размеров C и d в пределах 0,5 - 0,1 устраняет налипание электролита на пробойник при прочих равных условиях, очевидно, за счет уменьшения площади (диаметра) пятна глинозема на корке и некоторого увеличения при этом площади (диаметра) разрушения корки. Таким образом, признак C/d может быть выделен как самостоятельный (табл. 2).

Применение прямоугольного (квадратного) пробойника эквивалентного сечения устраняет налипание электролита при прочих равных условиях. Это можно объяснять наличием острых ребер на поверхности пробойника, что вызывает лучшие потери тепла пробойником и лучшую разрушаемость корочки электролита при ее охлаждении на поверхности пробойника. Данный эффект имеет место даже при возрастании отношения C/d выше 0,5 (табл. 3). Таким образом, данное техническое решение может быть выдано как самостоятельное.

Как следует из полученных результатов, применение предлагаемого изобретения позволяет сохранить работоспособность устройства длительное время без вмешательства человека, тем самым возрастает производительность электролизера, снижается расход электроэнергии, глинозема, уменьшаются затраты физического труда.

Дополнительным эффектом можно считать уменьшение выделений вредных веществ в атмосферу за счет лучшей герметизации электролизера.

Формула изобретения

1. Электролизер для получения алюминия, содержащий продолговатый бункер с накопительной емкостью, дозирующим устройством и расходной полостью на анодном кожухе, выпускные элементы, продавливающие элементы с приводом и узлы герметизации, катодное устройство с расплавом, отличающийся тем, что продавливающие элементы выполнены наклонно под углом 5-18^o к вертикали в направлении от борта катода к аноду.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что отношение расстояния между анодом и осью продавливающего элемента в точке касания поверхности электролита к расстоянию борт - анод составляет 0,33 - 0,12, предпочтительно 0,20 - 0,25.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что выпускные элементы газосборника на своей внутренней поверхности, обращенной к продавливающему элементу, снабжены направляющими элементами, рабочая поверхность которых параллельна проваливающему элементу и расположена на расстоянии 0,1 - 0,5 его диаметра или определяющего размера сечения.

4. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что продавливающие элементы выполнены с прямоугольным сечением, составляющим 0,6 - 1,5 площади пятна порции глинозема, загружаемого на корку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2