Биполярный электролизер для получения алюминия

ОП ИСАЙИ Союз Советских Социалистически Республик К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВУ лнительное к авт. санд-ву(5 Гвсударствею кеютвт СССР ве евамэврете и вткрытийно 15.02.83 Бюллетень публ Дата опубликования описания 17.02.8 Чер)1 оголоЪВт":.(72) Авторы изобретения Е.Ивановский, Г. ф. Казанцев, И.Г. Розанов 71) Заявител нститут электрохимии Уральского научного цент 4) БИПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕН АЛЮМИНИЯИзобретение относится к электролнти- полей, которая пропитывается электроли" ческому получению легких металлов, в том, металлизируется и взаимодействует частности. алюминия электролнзом рао .с электролитом. Кроме того, футеровка, плавов галогенидов. выполненная иэ окислов, смеси окислов сИзвестен биполярный электролиэер, ннтрндами, из стекла частично раствоимеющий камеру для обслуживания, от- ряется в галогенидах щелочных металлов деленную разделительной перегородкой от и алюминия. Это приводит к цреждевре рабочих ячеек с бнполярными электродами. менному разрушению футеровки ванны и В камере имеются верхние н нижние ка- анода, а также к загрязнению получаемого налы сообщения рабочего отделения с ., металла;Сложность внутреннего устрой- ячейками для обслуживайия .1 1, ства электролизера эа счет футеровки,Известен электролизер, в которомнеобходимости устройства рабочей каме-нерабочие поверхности биполярных элек- ры и камеры обслуживания, устройства тродов покрыты огнеупорными изолирую каналов для сбора металла, экранировки шими материалами 2 боковых нерабочих граней электродов огнеИзвестен также электролизер с гори- упорной кладкой, необходимости устройзонтальным расположением биполей иства каналов для циркуляции. Все это футеровкой иэ ннтридов и оксинитридов .приводит к увеличению трудозатрат.на металла, стеклянной изоляцией вместе с устройство футеровки, повышенному расобычными огнеупорами 3 . ро .ходу огнеупоров и солей (которые впитыОбщие недостатки всех укаэанных вы-. ваются в футеровку) и снижению срока ше биполярных электролизеров следуютцйе, службы электроттнэеров, т.е. к высокам рименение керамики для футеровки алек- материальным и трудовым затратам на тролизера и изоляции боковых граней би- осуществление процесса. П3 996Наиболее близким к изобретению техническим решением является биполярныйэлектролизер для получения легких металлов. Электролизер выполнен в видепрямоугольной футерованной ванны, вкоторой размещены однополярный анод,катод и биполярные электроды. Однополярные анод, катод установлены вертикально в торцах ванны, а вертикальныеэлектроды-биполи равномерно размещены, 10ио ее длине. Поверхность катодных частей биполей в 1,5-2 раза меньше поверхности анодных частей биполей. Частьповерхности катодных частей биполейизолирована огнеупорным кирпичом. По- .; 1%верхности катодных частей биполей выполнены со скосами по направлению ких анодным частям 4Основным недостатком данного электролизера является устройство футеровки 2 Оиз огнеупорного кирпича для изоляциистенок электролизера и части поверхносТикатодных частей биполя. Устройство специального сборника или соорной ячейкиусложняет конструкцию электролизера, 2снижает надежность работы агрегата.Применение футеровки из огнеупорногокирпича приводит к растворению окисловв электролите, образованию шлама вэлектролизере, потерям металла, сниже- Зэнию его качества и усложнению работыэлектролизера, При пропитывании футеровки происходят потери электролита идля увеличения ее изоляционной способности необходимо делать более толстуюфуте ровку.Цель изобретения - упрощение конструкции электролизера, улучшение качества металла и снижение эксплуатационных затрат на его получение.40Поставленная цель достигается в биполярном электролизере для полученияалюминия, содержащем охлаждаемый корпус с крышкой, группу вертикальныхэлектродов, включающую однополярныеанод и катод и равномерно распределен45ные между ними биполи, который содержит две группы электродов, установленных так, что аноды обеих групп находятся в центре электролизера, а катоды - вего торцах, причем все вертикальныеэлектроды подвешены на изоляционныхвставках, установленных выше уровнягарнисажа.В таком электролизере футеровка выполнена из твердого электролита,Кроме того, водоохлаждаемая крышкаэлектролизера выполнена с отверстияминад межанодным пространством. 519 4На фиг. 1 показан биполярный алектролизер, продольный разрез; на фиг.2- то же, вид сверху,со снятой крышкой;на фиг. 3 - график изменения толщины слоя гарнисажа от температуры стенки.Электролизер представляет собой прямоугольный металлический охлаждаемый снаружи кожух 1 (фиг,1),в котором установлены группы электродов, каждая из групп состоит из анода 2, катода 3 и одного или нескольких биполей 4. Обе группы расположены так, что аноды 2 расположены рядом, в центре электролизера, а катоды 3 - по противоположным торцам. Все электроды расположены так, что между боковыми стенками электролизера и нерабочими боковыми гранями электродов находится зазор, который в рабочем состоянии заполнен твердым электролитом - гарнисажем 5, Гарнисажем покрыты дно и торцовые стенки алектролизера. Изоляция биполей осуществляется за счет того, что их боковые стенки фвмораживаются" 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, обшей толщиной 40-50 мм. Перед пуском электролизера однополярные электроды устанавливаются на специ альных 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 однополярными электродами и стальными стенками электролизера равны по длине выступающая из биполей изоляционным вставкам, чтобы расстояние от стенки до всех электродов было одинаковым, Оно должно быть в пределах 2-15 см в зависимости от.состава и размеров электролизеров.В стенке электролизера с наружной стороны делают продольный паз 11, который закрывают сверху тонкИм стальным листом. В этот паз устанавливается термопара, которая показывает температуру 3 теплоотдающего листа, Токоподводы коднополярным электролизерам и изолято ры к биполям устанавливают на 5-25 см выше уровня. расплава, покрывающего слой металла 12, В водоохлаждаемой крышке 13 электролизера вдоль поперечной оси предусмотрены отверстия 14 для загрузки хлористого алюминия, выливки металла, установки термопар и других целей (не менее 3-х). Они нахсьдятся над пространством между двумя анодами.:Злектролизер работает следующим образом.В металлический водоохлаждаемый электролизер с воздушной прослойкой (фиг. 1 и 2) устанавливают 2 группы электродов, заливают электролит, включают 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 Зо закрывают крышкой, включают устройство подачи хлористого алюминия и подают постоянный ток. Ток подводят к двум параллельно включенным анодам в центре электролизера и от них через электролит и биполи он расходится к торцовым катодам 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 сторонах биполей и на однополярном аноде выделяется хлор, а на катоде и катодных сторонах биполей - металл. Хлор поднимаеъся вверх, увлекая электролити перемешивая его, а металл стекает вниз и накапливается в копильнике электролизера ниже электродов. Восходящие потоки анодных газов заставляют электролит двигаться от торцов к середине, где идет загрузка хлористого алюминия, являющегося расходуемым материалов, Элек-.тролит обогащается АС 3 и как более тяжелый растекается по дну электролв зера, далее подхваченный потоком восИ ходящих струй электролита перемешивается с остальным расплавом, Два одно полюсных электрода в центре электро лиэера создают наиболее благоприятные 519 4условия для поддержания электролита в жидком состоянии и облегчения операции по обслуживанию электролизера.По достижении определенного технологией количества металла на подине электролнзера,он с помощью вакуум-ковша через отверстие 14 в крышке 13 удаляе- ся из электролизера. Хлор по мере образования по закрытому трубопроводу эвакуируется из электролизера. Температура стенки электролизера является указателем толщины гарнисажаСогласно технологическим расчетам имеется одно 1 значная и весьма сильная связь между толщиной гарнисажа и температурой металлической стенки, отделяющей гарнисаж от воздушной прослойки 01 = (,). Это позволяет использовать темИдьпературу 1 как показатель для оценки и регулирования пристеночного слоя затвердевшего электролита (фиг. 3). Так при температуре электролита 720 С и толщине гарнисажа 80 мм температура теплоотдающего листа на границе с воздушной прослойкой равна 340 С. Повыше. ние рабочей температуры на 50 фС приводит к повышению температуры тепло- отдающего листа до 390 С и снижению. толщины гарнисажа до 50 мм. Чтобы определить необходимую толщину гарни- сажа, зазор между электродами и металлической стенкой выбирают в соответствии с фиг. 3 и подвешивают однополярные электроды на специальных водоохлаждаемых токоподводах. Биполярные электроды 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 колебаниями уровня металла 12 иа подине, а вместе с ним и верхней границы элек- тролита в период между двумя выпивками металла из электролизера.П р и м е р 1. В электролизере ла бораторного типа из нержавеющей стали с водоохлаждаемыми стенками устанавливают три электрода из графиФа; Электролизер имеет прямоугольную форму с размерами 160 120 180. Крайние электроды (однополярные) подключаются к сети постоянного тока, средний в , биполярный - не подключен. В процессе наплавления электролита образовывается бортовой гарнисаж у водоохлаждаемых стенок и дна электролизера.Толщина гариисажа колеблется от 1,5 до 3 см.Боковые грани %полярного электрода вмерзают в гарни 7 9965 саж и обраэовываются две ячейки, одна сторона биполя анодом в одной ячейке, - а другая - катодом второй ячейки. Под биполем ячейки соединяются между собой через расплав. Площадь анодной стороны З биполя равна 163 см, катодной - 80 см, отношение площадей 2:1, Ток проходит от анода через расплав на катодную часть биполярного электрода, затем через алек трод на анодную часть биполярного алек э трода снова через электролит на катод, Металл с катода и катодной стороны биполярного электрода собирается на дне электролизера. Вследствие ограниченного размера пространства под электродами 1 З часть тока огибает биполь и проходит че-, рез металл, он является как бы вторым биполем. При этом часть металла растворяется. В промышленном электролизере расстояние от нвкних концов электродов 20 должно быть значительно. больше расстояния между электродами. В качестве алектролита берут смесь солей, мас.%: ЙОСР;80 р ЙОГ 8,9; АССР 10,1. Расходуемым компонентом является АССС в количест З ве 5-15 мас.% расплавленного электролита, который загружают порциями по 100 г через каждые 10 мин, чтобы поддерживать такую концентрацию.На электролизере поддерживается сила Зр тока 200 А, напряжение 12,513 В. Пропускается 550 А/ч, температура процесса 720750 С. Получается 160 т алюминия или 43% от теоретического при работе двух последовательно соединенных ЗЭЗ ячеек. Качество металла следующее (% примесей по массе):Ре 0,21; Со 0,007- 0,013; Ь 1 0,15-0,25, т,е. алюминий марок А, А.П р и м е р 2. Расположение и размеры и условия аналогичны предыдущему. Соотношения площадей катодной и анодной стороны биполярного электрода 2,3: 1Температура электролита 720 эС, расстояние между электродами 23 мм. Пропус 4 З кается 293 АУч при средней силе тока 200 А. Напряжение на электролизере 10,5-12,5 В. Получается 100 г алюминия или 51,5% от теоретического количества иэ расчета последовательной ра,боты двух ячеек.П р и м е р 3. Герметичный стальной электролизер (фиг.1 и 2), имеющийвнутренние размеры 730360.720 ммводяное охлаждение, воздушную рубашку) ЗЗ2 катода, установленные по торцам, 2анода, расположенные в центре и по 2 биполя между катодами и:анодами. Растояние от боковых граней электродов 19 8до стальной стенки составляет 22-25 мм Аноды подвешены каждый на 2-х соосно расцоложенны х 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 углубФ ления в электроде, а вторым опирающихся на заплечики, приваренные к кожуху.В нижней части электролизера находился копильник металла. В боковых тор цовых стенках и днище металла установлимются термопары. Через отверстия в водоохлаждаемой крышке электролизера опускается термопара 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. Со)- тав расплава следующий, вес. : КоС 80; ДЕСНА9,0; ЙО Г 11. При нагрузке на электролизер 1000 А (переменного тока) температура расплава 720 фС, толщина гарнисажа 40 мм, температура теплоотдающего листа (средняя), С: боковых стенок 410, торца 405, днища 350.Пробоя гарнисажа во время работы в т)- чение суток не обнаружено. Электролиз не проводится, так как в данном опыте исследуют 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 холостом опыте при силе тока 900 А падение напряжения в токоподводах составляет менее 2-х В, а цри наплавленном электролите - 8 В. Исьпользование термопары в стенке электролизера позволяет постоянно контролировать толщину гарнисажа, а возможно и автоматизировать этот процесс за счет изменения количестм охлаждаемой воды или регулирования силы тока. Расположение 2-х групп электродов в одном корпусе и параллельная установка двух анодов в центре электролизера создаютлучшие возможности для обслуживания электролизера (загрузки и растворения ДРСЕ, выливки металла, замера уровня металла, электролита, измерения температуры). 5Формула изобретения1. Биполярный электролизер для по- ф лучения алЮминия, содержащий охлаждаемый корпус с крышкой, группу вертикаль ных электродов, включающую однополярные анод и катод и равномерно распределенные между ними биполи, о т л и - 1 ф ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упро щения конструкции, повышения качества получаемого металла и снижения материальных и трудовых затрат на обслуживание, он содержит две группы электродов, 20 установленных так, что аноды обеих групп расположены в центре электролизера, а катоды - в его торцах, причем все вертикальные электроды подвешены на изоляционных вставках, установленных выше уровня гарнисажа.2. Электролизер по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что футеровка электрсьлизера выполнена из твердого электролита.3, Электролизер по пп, 1 и 2, о т - л и ч а ю щ и й с я 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 СССР605864, кл. С 25 С 3/08,. 1976.г. апертура, С9 и 2,3 оставитель А. Костиехред А,Бабинец К орректо дактор Т. Парфенова писное ал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектн 855/41 Тираж 641 ВНИИПИ Государственного комит по делам изобретений и отк 113035, Москва, Ж, Раушста СССР тийя наб., д. 4/