RU2621084C1

RU2621084C1 - Electrolytic cell for production of aluminium

Info

Publication number: RU2621084C1
Application number: RU2016129707A
Authority: RU
Inventors: Василий Андреевич Крюковский; Геннадий Абдуллович Сиразутдинов; Петр Васильевич Поляков
Original assignee: Василий Андреевич Крюковский
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2017-05-31

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: electrolytic cell contains a body with side and bottom lining, the end anodes and cathodes, located on the opposite sides of the electrolytic cell body and vertically installed between them non-consumable bipolar electrodes, while non-consumable bipolar electrodes forming the electrolysis modules are installed along the electrolytic cell axis in rows, the corundum power and aluminium collection modules are located between. The electrolytic cell side and bottom lining is made of corundum containing material and is covered with the layer of deep calcined alumina, and the corundum power module is separated from the aluminium collection module by the slab from fire-resistant, non-conductive material, for example, silicon carbide or aluminium nitride. The bipolar electrodes can be installed at the angle to the vertical not more than 10°. The end faces of the bipolar electrodes from the corundum power module side are protected by the coating from refractory, non-conductive material, for example, silicon carbide or aluminium nitride.

EFFECT: improvement of the bipolar electrodes with corundum supply, reduction of the dissolution rate of the electrodes anode part and the labour costs for maintaining the electrolytic cell, provision of the stable and long-term operation of bipolar electrodes and the production of commercial pureness aluminium.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, а именно к конструкции электролизера для производства алюминия с биполярными электродами.The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum, and in particular to the design of an electrolyzer for the production of aluminum with bipolar electrodes.

Известна конструкция электролизера для производства алюминия, авторское свидетельство СССР №199781, в котором углеродистые биполярные электроды подвешены вертикально инертными к электролиту пластинами к электрически изолированным от корпуса электролизера деталям.A known design of an electrolytic cell for aluminum production, USSR author's certificate No. 199781, in which carbon bipolar electrodes are suspended vertically inert to the electrolyte plates to parts that are electrically insulated from the cell body.

Недостатком этой конструкции электролизера является то, что выделяющийся при электролизе глинозема кислород взаимодействует с углеродом анодной поверхности биполярного электрода с образованием парниковых газов. Расход углерода составляет около 500 кг/т алюминия, а выделение парниковых газов около 1,5 т на тонну алюминия. Вследствие сгорания угольного анода межэлектродное расстояние увеличивается и его необходимо периодически регулировать, а при полном сгорании анодной поверхности электрода требуется замена электрода.The disadvantage of this design of the electrolyzer is that the oxygen released during the electrolysis of alumina interacts with the carbon of the anode surface of the bipolar electrode with the formation of greenhouse gases. The carbon consumption is about 500 kg / t of aluminum, and the emission of greenhouse gases is about 1.5 tons per ton of aluminum. Due to the combustion of the carbon anode, the interelectrode distance increases and it is necessary to adjust it periodically, and when the anode surface of the electrode is completely burned, the electrode must be replaced.

Наиболее близким к заявленному изобретению является конструкция электролизера для производства алюминия, содержащая концевые анод и катод, расположенные на противоположных сторонах электролизера и вертикально установленные между ними нерасходуемые биполярные электроды, анодная и катодная части которых соединены вверху и внизу рамой из огнеупорного неэлектропроводного материала, а с боковых сторон - затвердевшим электролитом (настылью) ванны (US Pat. 3930967). Эта конструкция электролизера принята за прототип.Closest to the claimed invention is the design of an electrolytic cell for aluminum production, containing a terminal anode and cathode located on opposite sides of the cell and vertically mounted between them non-consumable bipolar electrodes, the anode and cathode parts of which are connected at the top and bottom by a frame of refractory non-conductive material, and from the side parties - hardened electrolyte (plaster) bath (US Pat. 3930967). This design of the cell is taken as a prototype.

Известная конструкция электролизера позволяет увеличить рабочий ток и производительность электролизера по сравнению с существующими монополярными электролизерами Эру - Холла, сократить электрические потери во внешней цепи. Однако вследствие того, что в этой конструкции биполярные электроды перекрывают все сечение ванны, между электродами образуется серия закрытых, технологически не связанных друг с другом ячеек. В каждой ячейке одновременно протекают процессы электролиза, растворения глинозема и накопления алюминия, требующие выполнения соответствующих технологических операций (питание глиноземом, выливку алюминия, удаление глиноземных осадков и др), что сопряжено с большими затратами труда. Более того, при расстоянии 3-5 см между электродами практически невозможно обеспечить поступление необходимого для электролиза количества глинозема и его однородное распределение в каждой ячейке в отдельности. Недостача глинозема и неоднородное его распределение приведет к ускоренному растворению анодной части биполярных электродов в ячейках с низкой концентрацией глинозема («катастрофической коррозии»), к загрязнению алюминия примесями и к выходу электролизера из строя. С другой стороны, избыток глинозема в ячейках между электродами приводит к появлению глиноземных осадков, нарушающих распределение тока и вызывающих МГД-возмущения (колебания) поверхности жидкого алюминия в ячейках между электродами. Нарушение распределения тока и колебания поверхности алюминия приведет к перегрузкам отдельных электродов и выходу их из строя, а наличие жидкого алюминия в ячейках приведет к локальным утечкам тока мимо биполярных электродов и потерям электрической мощности. По этим причинам известная конструкция электролизера, несмотря на все преимущества применения биполярных электродов по сравнению с монополярными, не нашла практического использования до настоящего времени.The well-known design of the electrolyzer allows you to increase the operating current and productivity of the electrolyzer in comparison with existing monopolar electrolyzers Eru-Hall, to reduce electrical losses in the external circuit. However, due to the fact that in this design the bipolar electrodes overlap the entire section of the bath, a series of closed cells that are not technologically connected to each other form between the electrodes. In each cell, the processes of electrolysis, dissolution of alumina and accumulation of aluminum simultaneously occur, requiring the implementation of appropriate technological operations (feeding alumina, casting aluminum, removing alumina deposits, etc.), which is associated with large labor costs. Moreover, at a distance of 3-5 cm between the electrodes, it is practically impossible to ensure the supply of the amount of alumina necessary for electrolysis and its uniform distribution in each cell separately. The lack of alumina and its non-uniform distribution will lead to accelerated dissolution of the anode part of the bipolar electrodes in cells with a low concentration of alumina (“catastrophic corrosion”), to contamination of aluminum with impurities and to the failure of the electrolyzer. On the other hand, an excess of alumina in the cells between the electrodes leads to the appearance of alumina deposits that violate the current distribution and cause MHD perturbations (oscillations) of the surface of liquid aluminum in the cells between the electrodes. Violation of the current distribution and fluctuations in the surface of aluminum will lead to overloading of individual electrodes and their failure, and the presence of liquid aluminum in the cells will lead to local leakage of current past the bipolar electrodes and loss of electrical power. For these reasons, the well-known design of the electrolyzer, despite all the advantages of using bipolar electrodes in comparison with monopolar, has not found practical use to date.

В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании конструкции электролизера для производства алюминия, исключающей недостатки прототипа и обеспечивающей устойчивую и продолжительную эксплуатацию электролизера с биполярными электродами.The basis of the invention is the task of creating the design of the electrolyzer for the production of aluminum, eliminating the disadvantages of the prototype and providing stable and long-term operation of the electrolyzer with bipolar electrodes.

Техническим результатом является улучшение снабжения глиноземом биполярных электродов, обеспечивающего снижение скорости растворения анодной части электродов, сокращение трудовых затрат на обслуживание электролизера и исключающее отрицательное влияние глиноземных осадков и жидкого алюминия на процесс электролиза.The technical result is to improve the supply of alumina to bipolar electrodes, which reduces the dissolution rate of the anode part of the electrodes, reduces labor costs for maintenance of the electrolyzer, and eliminates the negative impact of alumina deposits and liquid aluminum on the electrolysis process.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в конструкции электролизера для производства алюминия, снабженной боковой и подовой футеровкой, содержащей концевые аноды и катоды, размещенные на противоположных сторонах электролизера и вертикально установленные между ними нерасходуемые биполярные электроды, нерасходуемые биполярные электроды, образующие модули электролиза, установлены вдоль оси электролизера рядами, между которыми расположены модули питания ячеек глиноземом и сбора алюминия.The achievement of the above technical result is ensured by the fact that in the design of the electrolytic cell for aluminum production, equipped with side and bottom lining, containing end anodes and cathodes placed on opposite sides of the electrolyzer and vertically installed between them non-consumable bipolar electrodes, non-consumable bipolar electrodes forming electrolysis modules are installed along the axis of the cell in rows, between which are located the power modules of the cells with alumina and aluminum collection.

Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные на достижение поставленной цели.The invention is complemented by private distinctive features aimed at achieving the goal.

Боковая и подовая футеровка электролизера выполнена из глиноземсодержащего материала и покрыта слоем глубокопрокаленного глинозема, а модуль питания глиноземом расположен над модулем сбора алюминия и отделен от него плитой из огнеупорного, неэлектропроводного материала, например карбида кремния или нитрида алюминия. Биполярные электроды могут быть установлены с наклоном не более 10° к вертикали с опорой в углублениях бортовой и подовой футеровки.The lateral and hearth lining of the electrolyzer is made of alumina-containing material and coated with a layer of deep-calcined alumina, and the alumina feed module is located above the aluminum collecting module and is separated from it by a plate of refractory, non-conductive material, such as silicon carbide or aluminum nitride. Bipolar electrodes can be installed with a slope of not more than 10 ° to the vertical with a support in the recesses of the side and hearth lining.

Со стороны модуля питания глиноземом биполярные электроды защищены покрытием из огнеупорного, неэлектропроводного материала.On the alumina feed module side, the bipolar electrodes are protected by a coating of refractory, non-conductive material.

Расположение нерасходуемых биполярных электродов рядами вдоль оси электролизера позволяет выделить в нем три модуля, в каждом из которых протекает только один процесс: в ячейках между электродами - электролиз глинозема, между рядами электродов над плитой перекрытия - растворение и подача (питание) глинозема в ячейки электролиза, между рядами под перекрытием - сбор и накопление алюминия. Расположение модуля питания глиноземом между рядами электродов создает оптимальные условия для его растворения до концентрации насыщения электролита (температура на 10-15 град выше, чем возле бортов), и его доставки одновременно на оба ряда электродов, во все ячейки электролизера известными установками непрерывного питания глиноземом. При этом загрузка глинозема в количестве, большем, чем требуется для насыщения, в том числе с образованием осадков на плите перекрытия, не повлияет на распределение тока в электродах, так как осадки выделяются в модуле питания глиноземом, через который ток не проходит. Расположение модуля сбора алюминия под модулем питания глиноземом сделает электролизер более компактным и исключит возникновение МГД - воздействия на жидкий алюминий и утечки тока, так как через модуль сбора алюминия ток электролиза тоже не проходит. Выполнение футеровки из глиноземсодержащего материала обеспечит однородность распределения глинозема во всех ячейках электролизера, а поддержание концентрации насыщения электролита глиноземом снизит скорость растворения (расход) анодной части биполярных электродов и обеспечит устойчивую и продолжительную их эксплуатацию и чистоту производимого алюминия. При этом, поскольку осадки глинозема не выделяются в ячейках между электродами, исключается необходимость их чистки от осадков.Arrangement of non-consumable bipolar electrodes in rows along the axis of the electrolyzer allows you to select three modules in it, in each of which only one process proceeds: in the cells between the electrodes - alumina electrolysis, between the rows of electrodes above the floor slab - the dissolution and supply (supply) of alumina to the electrolysis cells, between rows under the ceiling - the collection and accumulation of aluminum. The location of the alumina feed module between the rows of electrodes creates optimal conditions for its dissolution to an electrolyte saturation concentration (temperature 10-15 degrees higher than near the sides), and its delivery simultaneously to both rows of electrodes, to all cells of the cell with known alumina continuous feeding units. In this case, loading alumina in an amount greater than that required for saturation, including with the formation of precipitation on the floor slab, will not affect the current distribution in the electrodes, since precipitation is released in the alumina feed module through which the current does not pass. The location of the aluminum collection module under the alumina feed module will make the electrolyzer more compact and eliminate the occurrence of MHD - impact on liquid aluminum and current leakage, since the electrolysis current does not pass through the aluminum collection module either. Lining of alumina-containing material will ensure uniform distribution of alumina in all cells of the electrolyzer, and maintaining the concentration of saturation of the electrolyte with alumina will reduce the dissolution rate (flow rate) of the anode part of the bipolar electrodes and ensure their stable and long-term operation and the purity of the produced aluminum. Moreover, since alumina deposits do not stand out in the cells between the electrodes, the need for their cleaning from precipitation is excluded.

Установка биполярных электродов с наклоном не более 10° к вертикали обеспечивает максимально допустимый угол наклона поверхности электрода, обеспечивающий высокую скорость схода газовых пузырьков и исключающий прямой контакт пузырьков кислорода с анода и капель жидкого алюминия с катода соседнего электрода при расстоянии между электродами меньше 5 см.The installation of bipolar electrodes with a slope of no more than 10 ° to the vertical ensures the maximum allowable angle of inclination of the electrode surface, which ensures a high rate of gas bubble descent and eliminates direct contact of oxygen bubbles from the anode and drops of liquid aluminum from the cathode of the adjacent electrode at a distance between the electrodes of less than 5 cm.

Биполярные электроды погружены тремя гранями в углубления в глиноземсодержащей футеровке и в засыпку (сверху), а со стороны модуля питания глинозема торцы электродов защищены покрытием из огнеупорного, неэлектропроводного материала. Защита торцевых граней биполярных электродов засыпкой глинозема сверху и глиноземсодержащей футеровкой снизу и сбоку электрода исключает необходимость дополнительной электрической изоляции торцевых граней электрода специальной рамой с целью уменьшения утечек тока и разрушения граней электрода. Ячейки между биполярными электродами открыты для поступления глинозема из модуля питания и не требуют дополнительных трудозатрат на технологическое обслуживание каждой ячейки в отдельности.Bipolar electrodes are immersed with three faces in recesses in an alumina-containing lining and in a backfill (top), and from the side of the alumina feed module, the ends of the electrodes are protected by a coating of refractory, non-conductive material. Protection of the end faces of bipolar electrodes by backfilling alumina on top and an alumina-containing lining on the bottom and side of the electrode eliminates the need for additional electrical insulation of the end faces of the electrode with a special frame in order to reduce current leakage and destruction of the electrode faces. The cells between the bipolar electrodes are open for the entry of alumina from the power module and do not require additional labor for the maintenance of each cell separately.

Сущность изобретения поясняется эскизом электролизера для производства алюминия (Фиг. 1). Электролизер для производства алюминия содержит концевые аноды 1 и катоды 2, подключенные к токоподводящим шинам 3, два ряда биполярных электродов 4,образующих модули электролиза глинозема. Между рядами биполярных электродов расположен модуль питания глинозема 5, отделенный плитой перекрытия 6 от модуля сбора алюминия 7. Биполярные электроды 4 установлены вертикально в вырезы (пазы) фланцевого листа бортовой футеровки изолированно от металлоконструкций электролизера и частично погружены в углубления глиноземной футеровки катода 8. Глинозем загружается в расплав установкой питания глинозема 9, растворяется и подается в ячейки 10 между биполярными электродами. Наличие глинозема 11 в виде осадков в расплаве модуля питания на плите перекрытия гарантирует устойчивое поддержание концентрации насыщения электролита глиноземом и однородное его распределение в ячейках между биполярными электродами.The invention is illustrated by a sketch of an electrolyzer for the production of aluminum (Fig. 1). The electrolyzer for aluminum production contains end anodes 1 and cathodes 2 connected to current-carrying buses 3, two rows of bipolar electrodes 4, forming alumina electrolysis modules. Between the rows of bipolar electrodes is an alumina feed module 5, separated by a slab 6 from the aluminum collecting module 7. The bipolar electrodes 4 are mounted vertically in the cutouts (grooves) of the flange sheet of the side lining, isolated from the electrolytic metal structures and partially immersed in the recesses of the alumina lining of the cathode 8. Alumina is loaded in the melt, the alumina power supply unit 9 dissolves and is fed into the cell 10 between the bipolar electrodes. The presence of alumina 11 in the form of precipitation in the melt of the power module on the floor slab ensures stable maintenance of the concentration of electrolyte with alumina and its uniform distribution in the cells between the bipolar electrodes.

Пуск и эксплуатация электролизера осуществляется следующим образом. После установки и закрепления биполярных электродов (верхнюю часть в паз фланцевого листа, изолированно от металлоконструкций катодного кожуха, низ и боковую часть в углубления глиноземной футеровки катода), монтажа питателя глинозема, подину, бортовую футеровку и биполярные электроды нагревают газовыми/мазутными горелками до температуры 750-850°С. После достижения этой температуры в электролизер заливают жидкий электролит известного состава, используемого в промышленных монополярных электролизерах Эру-Холла с известными добавками для снижения температуры ликвидуса и увеличения растворимости глинозема, загружают на поверхность расплава глинозем и включают электролизер под нагрузку. После установления стабильного рабочего напряжения 3,8-4,1 В включают систему питания глиноземом. Управление питанием глинозема осуществляют по времени его потребления, исходя из расчета по фактической силе тока и выходу по току 95-100%. Дополнительно контролируют наличие осадка на плите перекрытия. Выделяющийся на катодной поверхности электрода алюминий стекает по наклонным желобкам между биполярными электродами в модуль сбора алюминия, из которого его выливают вакуумным ковшом. Укрытие верха электролизера криолит-глиноземной шихтой и поддержание уровня и состава расплава осуществляют известным способом для технологии Эру - Холла.Start and operation of the electrolyzer is as follows. After installing and securing the bipolar electrodes (the upper part into the groove of the flange sheet, isolated from the metal structures of the cathode casing, the bottom and the side into the recesses of the alumina cathode lining), the alumina feeder, the bottom, the side lining and the bipolar electrodes are heated to a temperature of 750 / oil burners -850 ° C. After reaching this temperature, a liquid electrolyte of known composition used in Eru-Hall industrial monopolar electrolyzers with known additives to reduce the liquidus temperature and increase the solubility of alumina is poured into the electrolyzer, the alumina is loaded onto the melt surface and the electrolyzer is loaded. After establishing a stable operating voltage of 3.8-4.1 V, the alumina power system is turned on. Alumina nutrition is controlled by the time of its consumption, based on the calculation of the actual current strength and current efficiency of 95-100%. Additionally control the presence of sediment on the slab. The aluminum released on the cathode surface of the electrode flows down the inclined grooves between the bipolar electrodes into an aluminum collecting module, from which it is poured with a vacuum ladle. Covering the top of the electrolyzer with a cryolite-alumina charge and maintaining the level and composition of the melt is carried out in a known manner for the Eru-Hall technology.

Предлагаемая конструкция электролизера для производства алюминия обеспечит за счет выделения модулей электролиза, питания глиноземом и сбора алюминия устойчивый электролиз с минимальными трудовыми и энергетическими затратами, исключающий отрицательное влияние глиноземных осадков и жидкого алюминия. Увеличится продолжительность эксплуатации электролизера с биполярными электродами и чистота алюминия (не менее 99,5% Al), а также будут получены все преимущества промышленного использования биполярных электродов: исключение расхода углерода и выбросов парниковых газов, увеличение единичной мощности и производительности электролизера по сравнению с монополярной конструкцией. Экономический эффект для завода производительностью 500 тыс. т алюминия в год составит более 100 млн долл. США без учета экономии затрат за счет полного исключения выбросов парниковых газов.The proposed design of the electrolytic cell for aluminum production will ensure stable electrolysis with the minimum labor and energy costs, eliminating the negative effects of alumina and liquid aluminum by isolating the electrolysis modules, feeding alumina and collecting aluminum. The duration of operation of the electrolyzer with bipolar electrodes and the purity of aluminum (at least 99.5% Al) will increase, and all the advantages of the industrial use of bipolar electrodes will be obtained: elimination of carbon consumption and greenhouse gas emissions, increase in unit power and productivity of the electrolyzer compared to the monopolar design . The economic effect for a plant with a capacity of 500 thousand tons of aluminum per year will be more than $ 100 million, excluding cost savings due to the complete exclusion of greenhouse gas emissions.

Claims

1. The cell for the production of aluminum, comprising a housing with side and hearth lining, end anodes and cathodes placed on opposite sides of the cell body, non-consumable bipolar electrodes forming modules vertically mounted between them, and alumina power modules and an aluminum collecting module, characterized in that non-consumable bipolar electrodes are installed along the axis of the cell in rows, between which are located alumina power supply and aluminum collection modules.

2. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the side and bottom lining of the electrolyzer body is made of alumina-containing material and coated with a layer of deep-calcined alumina, and the alumina feed module is separated from the aluminum collection module by a plate of refractory, non-conductive material, for example silicon carbide or aluminum nitride .

3. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the bipolar electrodes are installed at an angle to the vertical of not more than 10 °.

4. The electrolyzer according to claim 1, characterized in that the end faces of the bipolar electrodes on the side of the alumina feed module are protected by a coating of refractory, non-conductive material, for example silicon carbide or aluminum nitride.