Электролизер для рафинирования алюминия

,(21) 4865101/02 (22) 11.09.90 (46) 15.01.93. Бюл, М (71) Братский алюми (72) Н. Н. Пендюров (56) Беляев А. И. Ме лов. М., Металлурги (54) ЭЛЕКТРОЛИЗЕ НИЯ АЛЮМИНИЯ на от друго размерами, н ства, харэкт коподводов, сырца,ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 2ниевый заводи В, С. Галимжановэллургия легких металя, 1970, с, 242-245,Р ДЛЯ РАФИНИРОВАИзобретение относится к цветной металлургии, в частности, к устройствам для электролитического рафинирования алюминия.Получение алюминия высокой частоты(АВЧ) электролитическим рафинированием по трехслойному способу основано на различие плотностей отдельных слоев расплава;нижний слой - анодный сплав алюминия с 30 - 40 меди, более электроположительной чем алюминия с плотностью около 3,0 г/см и выше;промежуточный слой - электролит израсплавленных солей с плотностью 2,7 г/см, причем наиболее распространен следующий состав ВаС 2 - 55-6070, обогащенный А Рз криолит (КО 1,5-2,0) и йаС 1 в виде добавки (1 - ЗЯ;верхний слой - алюминий, полученныйв результате рафинирования и служащий катодом, плотность катодного алюминия, 2,3 г/см .В мировой практике рафинирования потрехслойному способу применяются конструкции электролизеров, отличающиеся од(57) Использование; цветная металлургия, в частности устройства для электролитического рафинирования алюминия. Сущность; графитовые блоки полностью погружены в расплав, причем верхняя поверхность графитового блока расположена под верхним уровнем электролита, а нижняя - под нижним уровнем электролита. Устройство позволяет повыситькачество рафинированного алюминия, снизить затраты, 1 ил. не. только геометрическими и формой рабочего пространом катодного и анодного тотодами загрузки алюминия -Так, известен электролизер для рафинирования алюминия трехслойным способом, содержащий две электропроводящие подины, служащие для подвода и отвода тока, размещенные на различных уровнях контактирующие с одним из металлических сло. ев и электрически изолированные одна от другой футеровкой. С точки зрения защиты катодных блоков от окисления, взаимодействие их с кислородом в данном случае полностью исключено, но этот электролизер обладает серьезными недостатками:футеровка, разделяющая обе падины,быстро выходит из строя вследствие просачивания электролита, что вызывает значительные потери электроэнергии и быстрый . износ ванны;анодный сплав также может просачиваться в футеровку вызвать короткое замыкание;снижается полезная площадь ванны,что при равном выпуске рафинированногометалла приводит к увеличению стоимостисооружения ванн и занимаемой ими производственной площади,Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция элект)олизера, наиболеераспространенная в практике электролитического рафинирования алюминия, в которой в течение времени совершенствуютсялишь отдельные элементы конструкции.Приведенный электролизер для произ, водства АВЧ по трехслойному способусмонтирован в сварном металлическом кожухе, Подина выложена угольными блокамис залитыми в них токоподводящими сталь- ными стержнями, подключенными к анодному шинойроводу.Шахта электролизера футерована материалом, стойким при температурах рафинирования в применяемых электролитах(например, магнезитовым кирпичом). Угольнаяподина и сплав алюминия с медью служат анодом, а слой рафинированногоалюминия - катодом электролизера. Токопровод к рафинировайному алюминию осуществляется графитов ыми блоками,подвешенными на алюминиевых штангах,соединяющихся с графитовыми блокамипри помощй стальных ниппелей.Графитовые блоки погружаются в слойчистого алюминия на глубину, достаточнуюдля обеспечения хорошего электролитического контакта.В процессе длительной эксплуатацииэлектролизеров данного типа выработанаоптимальная конструкция катодного токоподвода:графитовый(желательно,графитированный) блок с помощью чугуннойзалйвки соединен со стальным ниппелем(высота ниппеля 300 мм), который в своюочередь биметаллическим переходникомсоединен с алюминиевой штангой, вертикально подвешенной к токоподводящимшйнам, Глубина погружения блоков в катодный алюминий 40 - 70 мм при высоте блока300-350 мм. Для предотвращения в процес-,се электролизера активного окисления кислородом воздуха графитовый блок защищеналюминиевым кожухом.Описанный выше электролизер для рафийирования алюминия имеет ряд существенных недостатков:1) процесс стабильно сопровождаетсязначительным перерасходом электроэнергии по сравнению с теоретически необходимым, так как снизить до необходимойвеличины толщину слоя электролита, являющегося телом сопротивления, не представляется возможным;10 15 30 35 40 процесса рафинирования;45 снижение эксплуатационных затрат за 50 20 25 2) получение алюминия высокой чистоты в данных злектролизерах затруднйтельно, так как процесс идет при повышенных температурах, что вызывает загрязнение рафинированного алюминия материалом футеровки, а также приводит к его повышенной окисляемости и газопоглощению;3) ведение процесса с частичным погружением графитовых блоков в катодный металл, несмотря на наличие защитного алюминиевого кожуха, вызывает значительный расход дорогостоящих и дефицитных блоков за счет их интенсивного окисления кислородом воздуха, а также за счет разрушения блоков, вызванных значительным температурным перепадом между погруженной в расплав частью блока и частью блока, находящейся над поверхностью катодного металла; 4) в процессе работы ванны требуются частые ее обработки (чистки) для предотвращения технологических нарушений, вызванных нарастанием "шапки" электролита на катодах, увеличением бортового гарнисажа и приводящих к резкому перераспределению токовой нагрузки по катодам, вплоть до полного нарушения процесса рафинирования; также технологические нарушения увеличивают не только трудозатраты по обслуживанию электролизеров, но и приводят к потерям АВЧ, сырья, электроэнергии 5) вызывает затруднение автоматизация существующего процесса вследствие невозможности оперативного вмешательства в процесс электролиза,Целью изобретения является;снижение энергетических затрат на рафинирование алюминия за счет снижения рабочегонапряжения и возможности оперативного его регулирования в процессе электролиза; повышение качества рафинированного алюминия за счет снижения температурысчет стабилизации процесса рафинирования, повышения межремонтного срока службы ванны, сокращения числа обработок (чисток) электролизеров Поставленная цель достигается тем, что в электролизере для рафинирования алюминия трехслойным способом, включающем стальной футерованный кожух с токоподводящей подиной, находящейся в контакте с расплавленным слоем металлического сплава, служащего анодом и покрытого слоем электролита, над которым расположен рафинированный алюминий, выполняющий роль катода и имеющий токоподвод в виде ряда погруженных в него графитовых блорезультате чего значительно снижается расход катодных блоков. 50Защита электроизолирующей обмазки стальных ниппелей, которые при заявляемом катодномтокоподводе погружены в расплав, обеспечивает нормальный ход процесса рафинирования.Наличие в электролизере для рафинирования алюминия по трехслойному способу катодного токоподвода с полнымпогружением графитовых блоков в расплав, при одновременном их расположении в катодном металле и электролите, защита/ ков, подвешенных на алюминиевых штангах, соединяющихся с графитовыми блоками при помощи стальных ниппелей, графитовые блоки полностью погружены в расплав, причем верхняя поверхность графитового блока расположена над верхним уровнем электролита, а нижняя, над нижним уровнем электролита, при этом стальные ниппели, погруженные в расплав, покрыты слоем защитной электроизолирующей обмазки,Техническая сущность предлагаемогоизобретения заключается в следующем,В электролизере для рафинирования алюминия по трехслойному способу предлагаемое полное погружение графитовыхблоков катодного токоподвода в расплав с погружением нижней их части в электролит с возможностью регулирования глубины погружения позволяет не только, в целом, снизить падение напряжения в электролите, но и оперативно изменить его г процессе электролиза. В результате чего, возможно поддержание оптимального значениятемпературы процесса электролиза, то естьнезначительно превышающей температуру плавления алюминия. Со снижением температуры процесса рафинирования термохимическая стойкость магнезитовой футеровки повышается, а значит снижается в электролите, а, следовательно, и в катодном металле, примесь магния.При таком катодном токоподводе возможно увеличение слоя электролита, что снижает вероятность перемешивания катодного и анодного металла при неравномерной нагрузке катодов, а также возможноснижение слоя рафинированного металла, что позволяет сократить потери АВЧ при технологических нарушениях.Полное погружение катодных блоков врасплав исключает их окисление кислородом воздуха, максимально снижает температурный перепад между нижней и верхнейчастью графитового блока, предупреждает перераспределение тока в катодах в сторону повышения его плотности за счет нарастания электролитной "шапки", в 5 10152025303540 стальных ниппелей электроизолирующей обмазкой составляют новизну данного технического решения по сравнению с прототипом.Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и другими решениями в данной области техники выявило использование сходного признака - защита отдельных элементов конструкции электроизолирующей обмазкой.Однако, наличие в электролизерах катодного токоподвода с полностью погруженными в расплав графитовыми блоками, одновременно находящимися и в слое катодного металла и в слое электролита, является неизвестным до настоящего времени признаком,Использование в рафинированных ваннах данного неизвестного признака со всеми другими известными признаками позволяет значительно повысить техникоэкономические показатели процесса электролиза, а именно:1) Как известно, для нормального хода процесса рафинирования температура плавления электролита должна быть близкой к температуре плавления алюминия, то есть немного выше бб 0 С. При существующих в настоящее время повышенных температурах расплава (более 800 С) получение алюминия высокой чистоты практически невозможно, так как при повышенной температуре процесса электролиза термохимическая стойкость магнезитовой футеровки снижается, то есть поступление магния в электролит, а в конечном итоге и в катодный металл, из футеровки возрастает. Также, чем меньше различие в температурах плавления алюминия и электролита, тем ниже температура катодного алюминия, а, следовательно, его окисляемость и газопоглощение. Применение заявляемого катод- ного токоподвода позволяет значительно снизить, в целом, температуру процесса. Так, промышленные испытания на БрАЗе показали, что по сравнению с традиционным заглублением катодных блоков температура процесса снизилась на 70-80 С, при этом содержание магния в катодном металле снизилось с 0,005 - 0,013% до 0,002- 0,008%;2) При существующей технологии ведения рафинирования наблюдается значительный перерасход электроэнергии по сравнению с теоретически необходимым, На непосредственно процесс рафинирования электрическая энергия не расходуется, Расходуемая при рафинировании электроэнергия практически полностью преобразуется в тепловую энергию, необходимую для1788092 10 15 20 30 40 50 55 поддержания требуемой температуры процесса. В интересах экономии тока рафинирование необходимо вести при минимально допустимом межполюсном расстоянии. Установлено, что оптимальное межполюсное расстояние, обеспечивающее нормальную работу ванн, составляет 65 - 100 мм, При ве-, дении процесса с погружением графитовых блоков в катодный металл межполюсно 1 е расстояние значительно превышает оптимальное значение, чем и объясняется высокий расход электроэнергии и повышенные температуры процесса рафинирования.Промышленные испытания на БрАЗе показали, что опытные ванны работают с МПР=70-110 мм, в то время как на рядовых оно составляет 220-310 мм. В результате рабочее напряжение на опытных ваннах снижено до 4,3-4,5 в по сравнению с 6 в на рядовых ваннах;3) При ведении процесса с предложенным погружением графитовых блоков в расплав полностью исключается взаимодействие их с кислородом воздуха, устанавливается благоприятный для графитовых блоков температурный режим, В результате значительно снижается расход графитовых блоков (по предварительным данным около 30%);4) При ведении электролиза с предлагаемым токоподводом создается возможность держать уровень катодного металла минимальным, что позволяет ускорить вывод ванны на высокую сортность, сократить потери АВЧ (переход в сырец) при расстройствах технологии. Так на БрАЗе испытания проводятся со слоем катодного металла 80 - .1 ДО мм в то время как на рядовой ванне 150 - 230 мм; 5) Снижение температуры процесса позволяет пересмотреть состав анодного сплава в сторону снижения содержания меди, так на опытном электролизере оно снижено с 38% до 30, то есть в предлагаемом электролизере создается возможность работы с анодным сплавом меньшей плотности;6) Воэможность стабилизации (регулирования) рафинирЬвания позволяет сократить число технологических нарушений, снизить трудозатраты на обслуживание электролизеров;7) Предлагаемый электролизер с погруженными в электролит катодными блоками позволяет применить систему автоматического регулирования.ь Электролизер .с предлагаемым катоднымтокоподводом представлен на чертеке, где дан его поперечный разрез,Электролизер для рафинирования алюминия состоит из металлического кожуха 1, футерованного шамотным кирпичом 2,.Подина электролизера выложена угольными блоками 3 с залитыми в них токоподводящими стальными стержнями 4. Шахта футерована магнезитовым кирпичом 5. Катодные графитовые блоки 6 соединены с алюминиевыми штангами с помощью стальных ниппелей 7, которые крепятся на блоках чугунной заливкой, защищенной электроизолирующей обмазкой 8 от воздействия расплава, В электролизере в порядке снижения их удельной плотности располагаются: слой анодного сплава 9, электролит 10,катодный сплав 11,Электролизер работает следующим образом.Токоподвод к анодному сплаву 9, находящемуся на подине, осуществляется с помощью стальных стержней,вмонтированных в угольные блоки, Анодный сплав электролитом 10 отделяется от катодного рафинированного сплава 11, Катодные блоки погружаются в расплав таким образом, чтобы не менее 20 мм графитового блока нахОдилось в катодном металле, э в электролите 120-150 мм. Для предотвращения замыкания на анодный сплав в предлагаемом электролизере катодные блоки укорачиваются, причем высота катодного блока может изменяться в каждом конкретном случае.В процессе эксплуатации на БрАЗе двух опытных электролизеров с полностью погружениями в расплав катодными блоками определена оптимальная их высота - 170200 мм. Формул а изобретения Электролизер для рафинирования элюминия трехслойным способом, включающий стальной футерованный кожух с токопроводящей подиной, размещенный на подине анодный сплав и катод из рафинированного алюминия с токоподводом в виде графитовых блоков, подвешенных на алюминиевых штангах, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества рафинированного алюминия, снижения затрат, графитовые блоки полностью погружены в расплав, причем верхняя поверхность графитового блока расположена над верхним уровнем электролита, а нижняя - под нижним уровнем электролита.1788092 Составитель Н,ПендюроваРедактор С,Козлова Техред М. Моргентал Корректор Н.Милюкова ытиям при ГКНТ СС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж л,Гагарина, 1 Заказ 53 Тираж ВНИИПИ Государственного комит 113035, МосквПодпи по изобретениям и от -35, Раушская наб., 4/