RU2186881C1

RU2186881C1 - Electrolyzer with side current supply to anodes for production of aluminum

Info

Publication number: RU2186881C1
Application number: RU2000128961A
Authority: RU
Inventors: А.И. Бегунов
Original assignee: Бегунов Альберт Иванович
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-08-10

Abstract

FIELD: non-ferrous metallurgy. SUBSTANCE: there is proposed double anode electrolyzer with side current supply to self-baking anodes. Anodes are manufactured in the form of narrow long blocks which longitudinal symmetry axes are parallel to longitudinal axis of electrolyzer. Internal sides of anodes form slit between electrodes in anode mass and current-carrying pins are positioned along one longitudinal and two face sides of each anode block. Face sides of anode enclosures are tied up in rigid anode structure by means of metal braces. EFFECT: increased output of aluminum, reduced ohmic loss of voltage and frequency of anode effects. 1 cl, 2 dwg

Description

Область техники. The field of technology.

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и предназначено для применения на алюминиевых заводах, оснащенных электролизерами с боковым токоподводом (БТ) к анодам. The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals and is intended for use in aluminum plants equipped with electrolyzers with side current supply (BT) to the anodes.

Уровень техники и аналоги. The prior art and analogues.

В электрометаллургии алюминия применяются электролизеры с предварительно обожженными анодами (ОА), а также с самообжигающимися анодами при верхнем (ВТ) или боковом (БТ) токоподводе к ним. Электролизеры с БТ содержат в настоящее время один анод прямоугольного сечения при ширине его до 1800-2000 мм. Типичный электролизер с БТ описан, например, в учебнике М.М. Ветюкова и др. В наших исследованиях однозначно установлено, что с возрастанием ширины анода увеличиваются потери металла и снижается катодный выход его по току. Современные электролизеры с ОА используются при силе тока до 300 кА и более с выходом металла по току до 95-96%, что объясняется использованием на них узких анодов шириной только в 700÷800 мм. На электролизерах с БТ при типичной ширине анода 1800-2000 мм выход по току в лучшем случае не превышает 88-90%. Эти электролизеры отличаются также более низким качеством анода и большим расходом углерода в процессе. Кроме того, расход электроэнергии на ваннах с БТ на 1500-2000 кВт•час на тонну металла выше, чем на электролизерах с ОА. In aluminum electrometallurgy, electrolyzers with prebaked anodes (OA), as well as with self-baking anodes at the top (VT) or side (BT) current supply to them, are used. Electrolyzers with BTs currently contain one anode of rectangular cross section with a width of up to 1800-2000 mm. A typical electrolyzer with BT is described, for example, in the textbook M.M. Vetyukova et al. In our studies, it was unequivocally established that with an increase in the width of the anode, metal losses increase and its cathodic current output decreases. Modern electrolyzers with OA are used for currents up to 300 kA and more with a metal current output of up to 95-96%, which is explained by the use of narrow anodes with a width of only 700 ÷ 800 mm. On electrolyzers with BT with a typical anode width of 1800-2000 mm, the current efficiency in the best case does not exceed 88-90%. These electrolyzers are also characterized by lower quality of the anode and a higher consumption of carbon in the process. In addition, the energy consumption in bathtubs with BT is 1500-2000 kW • hour per ton of metal higher than in electrolytic cells with OA.

Основные недостатки электролизера с БТ обусловлены использованием в нем одного анода большого сечения. Замена старых серий электролиза с БТ на современные серии с ОА требует огромных финансовых и материальных затрат, отличается большим сроком окупаемости и по этим причинам нецелесообразна. Предпочтительней радикальная модернизация с сохранением типа токоподвода. Основным решением такой модернизации является переход на двух- или многоанодные конструкции электролизеров с определяющим размером (шириной) одного анодного блока не более 900-1000 мм, что близко к этому параметру для ОА. The main disadvantages of the electrolyzer with BT are due to the use of one large section anode in it. Replacing old series of electrolysis with BT with modern series with OA requires huge financial and material costs, has a long payback period and for these reasons is inappropriate. Preferred radical modernization while maintaining the type of current lead. The main solution to this modernization is the transition to two- or multi-anode designs of electrolytic cells with a determining size (width) of one anode block of not more than 900-1000 mm, which is close to this parameter for OA.

Первичным аналогом предложенного решения является электролизер с БТ, установленный в 1927 г. на французском заводе в Риу-Перу, на котором применялись двуханодные конструкции прямоугольного сечения. Близкие к этой конструкции треханодные электролизеры использовались также на Уральском алюминиевом заводе в первые годы его эксплуатации. The primary analogue of the proposed solution is an electrolyzer with BT, installed in 1927 at the French factory in Rio Peru, on which two-anode designs of rectangular section were used. Three-anode electrolyzers close to this design were also used at the Ural Aluminum Plant in the first years of its operation.

В процессе работы под каждым анодом образовывалась самостоятельная ванна-тигель, что затрудняло ведение электролиза. Соотношение размеров сторон в плане анода составляло в первом приближении 1:1, т.е. аноды в горизонтальном сечении были близки к квадратным. Расстояние между анодами было относительно большим с тем, чтобы можно было устанавливать и извлекать штыри, применявшиеся по всему периметру анодов. In the process, an independent crucible bath was formed under each anode, which made electrolysis difficult. The aspect ratio in terms of the anode was in the first approximation 1: 1, i.e. horizontal anodes were close to square. The distance between the anodes was relatively large so that the pins used around the entire perimeter of the anodes could be inserted and removed.

В качестве ближайшего аналога можно рассматривать электролизер с самоспекающимся электродом по патенту РФ 2121014, выданному Норск Гидро на имя К. Пеулсена. В этом патенте самоспекающийся анод разделен на две секции с образованием двух анодных кожухов, расположенных параллельно и близко друг к другу. Изобретение - ближайший по времени и задачам аналог нашего решения, относится, как это следует по фиг.1 описания этого изобретения, к электролизерам с верхним токоподводом. As the closest analogue, one can consider an electrolyzer with a self-sintering electrode according to the patent of the Russian Federation 2121014, issued by Norsk Hydro in the name of K. Peulsen. In this patent, the self-sintering anode is divided into two sections with the formation of two anode casings located parallel and close to each other. The invention is the closest in time and tasks analogue of our solution, relates, as follows from figure 1 of the description of this invention, to electrolyzers with top current lead.

Сущность изобретения. SUMMARY OF THE INVENTION

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в модернизации электролизеров с БТ путем перехода на двуханодные конструкции с определяющим размером (шириной) одного анодного блока не более 900-1000 мм, что близко к этому параметру для электролизеров с ОА. Продольные оси симметрии анодных блоков должны быть параллельны продольной оси электролизера, а анодные кожуха установлены параллельно и близко с образованием щели между ними. Эта часть задачи совпадает с задачей изобретения - ближайшего аналога, но невыполнима для бокового токоподвода. The problem to which the invention is directed is to modernize electrolytic cells with BT by switching to two-anode structures with a determining size (width) of one anode block of not more than 900-1000 mm, which is close to this parameter for electrolytic cells with OA. The longitudinal axis of symmetry of the anode blocks should be parallel to the longitudinal axis of the electrolyzer, and the anode casing installed parallel and close with the formation of a gap between them. This part of the task coincides with the task of the invention, the closest analogue, but impossible for side current supply.

В известных конструкциях токоподводящие штыри БТ расположены по всему периметру анодов, в том числе по смежным сторонам межанодного промежутка. Тогда ширина этого промежутка должна быть не менее суммы длины штырей и габаритных размеров устройств, применяющихся для забивки их в анод и вытяжки из анода. При длине штырей около 1000 мм и размерах по горизонтали устройств для их забивки и вытяжки не менее 200-300 мм общая ширина межанодного промежутка составит не менее 1200-1300 мм, что совершенно неприемлемо и не позволяет решить общую задачу создания двуханодного электролизера с БТ. In known designs, BT lead-in pins are located around the entire perimeter of the anodes, including adjacent sides of the inter-anode gap. Then the width of this gap should be at least the sum of the length of the pins and the overall dimensions of the devices used to drive them into the anode and extract from the anode. With the length of the pins about 1000 mm and the horizontal dimensions of the devices for driving and drawing them at least 200-300 mm, the total width of the inter-anode gap will be at least 1200-1300 mm, which is completely unacceptable and does not allow solving the general problem of creating a two-anode electrolyzer with BT.

Эта задача решена в нашем изобретении за счет следующих существенных признаков. Токоподводящие штыри расположены по одной продольной внешней и двум торцевым сторонам каждого анодного блока. Смежные или внутренние продольные стороны анодных блоков выполнены без токоподводящих штырей, что позволяет сблизить анодные блоки до размеров щели. Общее количество штырей остается при этом неизменным. This problem is solved in our invention due to the following essential features. Current-carrying pins are located on one longitudinal outer and two end sides of each anode block. Adjacent or internal longitudinal sides of the anode blocks are made without current-carrying pins, which makes it possible to bring the anode blocks closer to the gap dimensions. The total number of pins remains unchanged.

Штыри, кроме функций токоподвода, выполняют также роль несущих силовых элементов подвески анода. При расположении штырей по продольным внешним и торцевым сторонам анодных блоков необходимо связать оба блока в жесткую конструкцию. Для этого в изобретении предусмотрены металлические стяжки, расположенные в торцевых частях анодных кожухов. Техническим результатом изобретения является повышение катодного выхода алюминия по току до 94-95%, снижение омических потерь напряжения и частоты анодных эффектов. The pins, in addition to the functions of current supply, also play the role of load-bearing power elements of the anode suspension. When the pins are located on the longitudinal outer and end sides of the anode blocks, it is necessary to connect both blocks in a rigid structure. To this end, the invention provides metal ties located in the end parts of the anode housings. The technical result of the invention is to increase the cathode current output of aluminum to 94-95%, to reduce ohmic voltage losses and the frequency of anode effects.

Перечень фигур чертежей. The list of figures drawings.

На фиг. 1 схематично показан поперечный разрез предложенного электролизера. Здесь: 1 - аноды; 2 - токоподводящие штыри; 3 - рама подвески анодов; 4 - катодное устройство; 5 - балка-стяжка. На фиг.2 - этот же электролизер показан в плане. Обозначения те же, что и на фиг.1. Угловые точки анодов в плане, формирующие общую композицию анодного узла, обозначены как а, b, с, d, e, f, g, h (фиг.2). Такие же точки в поперечном разрезе для рабочих поверхностей анодов обозначены как i, j, k, l (фиг.1). In FIG. 1 schematically shows a cross section of the proposed cell. Here: 1 - anodes; 2 - current-carrying pins; 3 - anode suspension frame; 4 - cathode device; 5 - screed beam. Figure 2 - the same cell is shown in plan. Designations are the same as in figure 1. The angular points of the anodes in plan, forming the overall composition of the anode assembly, are designated as a, b, c, d, e, f, g, h (Fig. 2). The same points in cross section for the working surfaces of the anodes are indicated as i, j, k, l (Fig. 1).

Аноды продольной стороной сориентированы по оси Х (фиг.2) и короткой стороной, т. е. в направлении определяющего размера, по оси Y (фиг.1 и 2). Расстояние между анодами (точками i-j no фиг.1 или линиями ad и fg по фиг.2) выполнено предельно малым, не превышающим для реальных электролизеров 200-300 мм. По этим внутренним сторонам анодных блоков (ad и fg) токоподводящие штыри не устанавливаются. Таким образом, подвод тока и подвеска анодов осуществляются только по внешним сторонам анодного массива, т.е. по одной продольной (bc и eh), а также по торцевым (ab и dc; fe и gh) сторонам каждого анодного блока. The anodes with the longitudinal side are oriented along the X axis (FIG. 2) and the short side, i.e., in the direction of the determining size, along the Y axis (FIGS. 1 and 2). The distance between the anodes (points i-j no of Fig. 1 or the lines ad and fg of Fig. 2) is made extremely small, not exceeding 200-300 mm for real electrolyzers. On these inner sides of the anode blocks (ad and fg), current-conducting pins are not installed. Thus, the current supply and suspension of the anodes are carried out only on the outer sides of the anode array, i.e. on one longitudinal (bc and eh), as well as on the end (ab and dc; fe and gh) sides of each anode block.

Поскольку подвеска анодных блоков осуществляется только по внешним продольным, а также торцевым сторонам, а не по всему периметру каждого блока, необходима механическая защита от возможного отклонения анодов от вертикального положения. С этой целью используются металлические стяжки анодных кожухов 5 (фиг.1 и 2), закрепленные на последних в виде балок или полос. Since the suspension of the anode blocks is carried out only along the external longitudinal and also end sides, and not along the entire perimeter of each block, mechanical protection is necessary from the possible deviation of the anodes from the vertical position. For this purpose, metal ties of the anode housings 5 (FIGS. 1 and 2) are used, fixed to the latter in the form of beams or strips.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Типичные электролизеры с БТ используются при силе тока порядка 70 кА, ширине анода 180 см, длине 500 см, анодной плотности тока ≈ 0,78 А/см². Расстояние от анода до бортовой футеровки принимают равным 50 см. При сохранении этого расстояния постоянным можно в шахту имеющихся размеров установить два анодных блока (2х90 см) с расстоянием между ними 20 см, заменив в бортовой футеровке углеродистые блоки толщиной 200 мм на карбид-кремниевые толщиной 100 мм. Анодная плотность тока останется при этом неизменной. Представляется возможным уменьшить при этом расстояние "борт-анод" до 40 см. Тогда для двух анодных блоков шириной по 100 см и неизменной анодной плотности тока сила тока может быть увеличена до
2(100•500)•0,78=78000 А или на 8 кА
от начальной без изменения внешних габаритных размеров электролизера и без изменения энергетической напряженности анода.Typical electrolyzers with BT are used with a current strength of about 70 kA, anode width of 180 cm, a length of 500 cm, anode current density of ≈ 0.78 A / cm ² . The distance from the anode to the side lining is taken equal to 50 cm. If this distance is kept constant, two anode blocks (2x90 cm) with a distance of 20 cm between them can be installed in an existing shaft, replacing 200 mm thick carbon blocks with silicon carbide in the side lining 100 mm The anode current density will remain unchanged. It seems possible to reduce the board-anode distance to 40 cm. Then, for two anode blocks 100 cm wide and a constant anode current density, the current can be increased to
2 (100 • 500) • 0.78 = 78000 A or 8 kA
from the initial without changing the external overall dimensions of the cell and without changing the energy intensity of the anode.

Благодаря уменьшению ширины (определяющего размера) от 1800-2000 мм для единичного анода до 900-1000 мм для каждого из анодных блоков предложенного электролизера снижается газогидродинамическая составляющая потерь металла. Катодный выход по току возрастает до 94-95%. Омические потери напряжения на газосодержащем слое в электролите уменьшаются не менее чем на 50 мВ. Благодаря более равномерному распределению концентрации глинозема по межполюсному зазору снижается частота анодных эффектов, что обеспечивает дополнительную экономию порядка 20 мВ среднего напряжения и также способствует росту выхода металла по току. Уменьшение греющего напряжения на ~ 70 мВ эквивалентно экономии электроэнергии 250-300 кВт•час/т металла. Due to the reduction of the width (determining size) from 1800-2000 mm for a single anode to 900-1000 mm for each of the anode blocks of the proposed electrolyzer, the gas-hydrodynamic component of metal losses is reduced. The cathode current efficiency increases to 94-95%. Ohmic voltage losses on the gas-containing layer in the electrolyte are reduced by no less than 50 mV. Due to a more uniform distribution of alumina concentration over the interpolar gap, the frequency of anode effects is reduced, which provides additional savings of about 20 mV average voltage and also contributes to an increase in metal current output. Reducing the heating voltage by ~ 70 mV is equivalent to saving electricity of 250-300 kW • h / t of metal.

Иcточники информации
1. М.М. Ветюков, А.М. Цыплаков, С.Н. Школьников. Электрометаллургия алюминия и магния, М., "Металлургия". 1987, 320 с. (стр.100-104).Sources of information
1. M.M. Vetyukov, A.M. Tsyplakov, S.N. Schoolchildren. Electrometallurgy of aluminum and magnesium, M., "Metallurgy". 1987, 320 p. (p. 100-104).

2. А. И. Бегунов. Газогидродинамика и потери металла в алюминиевых электролизерах. Иркутск, ИГУ, 1992, 286 с. 2. A. I. Begunov. Gas-hydrodynamics and metal losses in aluminum electrolyzers. Irkutsk, ISU, 1992, 286 pp.

3. А.И. Бегунов, С.Д. Цымбалов. "Макрокинетика потерь металла в алюминиевых электролизерах". С.-Петербург, Наука, 1994, 75 с. 3. A.I. Begunov, S.D. Tsymbalov. "Macrokinetics of metal loss in aluminum electrolysis cells." St. Petersburg, Nauka, 1994, 75 pp.

4. А. И. Бегунов. "Проблемы модернизации алюминиевых электролизеров". Иркутск, 2000, 105 с. 4. A. I. Begunov. "Problems of modernization of aluminum electrolytic cells." Irkutsk, 2000, 105 pp.

5. М.А. Коробов, А.А. Дмитриев. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров. "Металлургия", М., 1972, 208 с. (стр.11). 5. M.A. Korobov, A.A. Dmitriev. Self-baking anodes of aluminum electrolysis cells. "Metallurgy", M., 1972, 208 pp. (p. 11).

6. А. Пеулсен. Электролизер с самоспекающимся электродом. Патент РФ 2121014, опубл. 27.10.98 г. 6. A. Peulsen. Electrolyzer with a self-sintering electrode. RF patent 2121014, publ. 10/27/98

Claims

1. An electrolytic cell for producing aluminum with a lateral current supply to the anodes, containing two self-firing anode blocks, the longitudinal axis of symmetry of which are parallel to the longitudinal axis of the cell, and the anode housings are installed with a gap between them, characterized in that the current-carrying pins are located along one longitudinal external and two end sides of each anode block.

2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the anode casings are combined in a rigid structure using metal ties located in their end part.