RU2836402C2 - Aluminium electrolysis cell with inert anode of vertical design - Google Patents
Aluminium electrolysis cell with inert anode of vertical design Download PDFInfo
- Publication number
- RU2836402C2 RU2836402C2 RU2024106431A RU2024106431A RU2836402C2 RU 2836402 C2 RU2836402 C2 RU 2836402C2 RU 2024106431 A RU2024106431 A RU 2024106431A RU 2024106431 A RU2024106431 A RU 2024106431A RU 2836402 C2 RU2836402 C2 RU 2836402C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- insulating layer
- electrolyzer
- cathode
- graphite
- anode
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Перекрестные ссылки на связанные заявкиCross-references to related applications
Настоящая заявка испрашивает приоритет китайской патентной заявки №202310009797.0, поданной 04 января 2023 года, все содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.This application claims priority from Chinese Patent Application No. 202310009797.0, filed on January 4, 2023, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее решение относится к технической области выплавки алюминия и, в частности, к алюминиевому электролизеру с инертным анодом вертикальной конструкции.This solution relates to the technical field of aluminium smelting and, in particular, to an aluminium electrolyser with an inert anode of vertical design.
Уровень техникиState of the art
В процессе традиционного электролитического производства алюминия с предварительно обожженным углеродным анодом проблемы высокой интенсивности и большого количества выбросов углерода, вызванных расходованием углеродного анода и анодным эффектом, становятся все более заметными в современном аспекте «углеродного пика и углеродной нейтральности». Важным направлением развития и исследования технологии алюминиевой плавки стала технология электролиза алюминия с инертным анодом, поскольку в процессе электролиза не происходит эмиссии углекислого газа и перфторированных соединений (ПФС), а на тонну алюминия в процессе электролиза производится около 0,88 тонны кислорода.In the process of traditional pre-baked carbon anode electrolytic aluminum production, the problems of high intensity and large amount of carbon emissions caused by the consumption of carbon anode and anode effect are becoming increasingly obvious in the modern aspect of "carbon peak and carbon neutrality". Inert anode aluminum electrolysis technology has become an important direction for the development and research of aluminum smelting technology, since there is no emission of carbon dioxide and perfluorinated compounds (PFC) in the electrolysis process, and about 0.88 tons of oxygen are produced per ton of aluminum in the electrolysis process.
В настоящее время алюминиевые электролизеры с инертным анодом и вертикальным расположением электродов стали одним из основных направлений исследований. Площадь электрода алюминиевой электролитической ячейки с инертным анодом, использующей вертикальное расположение электродов, может быть значительно увеличена, что позволяет уменьшить объем электролизера, повысить производительность, уменьшить теплоотдачу и, таким образом, компенсировать недостаток, заключающийся в том, что теоретическое напряжение разложения инертного анода выше, чем напряжение разложения углеродного анода.At present, aluminum electrolytic cells with an inert anode and a vertical electrode arrangement have become one of the main research areas. The electrode area of the aluminum electrolytic cell with an inert anode using a vertical electrode arrangement can be significantly increased, which can reduce the volume of the electrolytic cell, improve productivity, reduce heat transfer, and thus compensate for the disadvantage that the theoretical decomposition voltage of the inert anode is higher than that of the carbon anode.
В алюминиевом электролизере с инертным анодом и вертикальным расположением электродов необходимо использовать материал катода, который может хорошо смачиваться жидким алюминием, так что алюминий может плавно осаждаться и собираться на пленке жидкого алюминия, образованной на поверхности катода. В настоящее время обычно используются керамика TiB2 или композитная керамика TiB2-C с высоким содержанием TiB2 и т.д. Катоды из данных материалов большого размера нелегко изготовить из-за ограничений текущей технологии производства. При использовании в качестве смачиваемого катода эти материалы обычно приходится сращивать из нескольких частей. В настоящее время существует два широко используемых способа сращивания. Одно решение заключается в том, что сначала катод соединяется с графитовым основанием с помощью молотой катодной пасты, а затем металлический направляющий стержень соединяется с графитовым основанием с помощью молотой катодной пасты; другое решение заключается в том, что сначала отдельный кусок катода соединяется с металлическим направляющим стержнем, а затем отдельный кусок катода и металлический направляющий стержень соединяются вместе с помощью катодной пасты или литейного корундового материала.In the inert anode aluminum electrolytic cell with vertical electrode arrangement, it is necessary to use a cathode material that can be well wetted by liquid aluminum, so that aluminum can be smoothly deposited and collected on the liquid aluminum film formed on the surface of the cathode. At present, TiB 2 ceramics or TiB 2 -C composite ceramics with a high TiB 2 content, etc. are generally used. Large-sized cathodes made of these materials are not easy to manufacture due to the limitation of the current production technology. When used as a wetted cathode, these materials usually need to be spliced from several parts. At present, there are two widely used splicing methods. One solution is that the cathode is first bonded to the graphite base with ground cathode paste, and then the metal guide rod is bonded to the graphite base with ground cathode paste; Another solution is to first bond a separate piece of cathode to a metal guide rod, and then bond the separate piece of cathode and the metal guide rod together using cathode paste or casting corundum material.
Оба вышеуказанных решения имеют некоторые недостатки. В первом решении, если соединение катода и графитового основания достигается только с помощью молотой катодной пасты, проводимость неравномерная. После того как в катодную пасту попадет расплав электролита, проводимость сильно изменяется, что приводит к неравномерному распределению катодного тока, а серьезное неравномерное распределение приводит к разрыву и повреждению катода. Во втором варианте трудно защитить металлический направляющий стержень от коррозии. Металлический направляющий стержень находится слишком близко к области электролитической реакции катода, поэтому металлический направляющий стержень легко подвергается прямой и электрохимической коррозии под действием расплава электролита или проникающего в него жидкого алюминия, что приводит к повреждению и разрушению металлического направляющего стержня.Both of the above solutions have some disadvantages. In the first solution, if the connection of the cathode and the graphite base is achieved only by the ground cathode paste, the conductivity is uneven. After the electrolyte melt enters the cathode paste, the conductivity changes greatly, resulting in uneven distribution of the cathode current, and the serious uneven distribution leads to rupture and damage to the cathode. In the second solution, it is difficult to protect the metal guide rod from corrosion. The metal guide rod is too close to the electrolytic reaction area of the cathode, so the metal guide rod is easily subjected to direct and electrochemical corrosion by the electrolyte melt or liquid aluminum penetrating into it, resulting in damage and destruction of the metal guide rod.
Чтобы снизить скорость коррозии инертного анода, в алюминиевом электролизере с инертным анодом обычно используется низкотемпературная система электролита. В системе низкотемпературного электролита обычно содержится KF или LiF, степень перегрева при работе низкотемпературного электролита относительно высока, на боковой стенке электролитической ячейки нелегко образовать застывшую корку, а расплав низкотемпературного электролита обладает сильной проницаемостью. Материалы и конструкции боковых стенок обычного электролизера легко подвергаются коррозии под воздействием расплава электролита. Расплав электролита может даже проникать непосредственно через щели камеры в теплоизоляционный слой, тем самым разрушая материал теплоизоляционного слоя и влияя на срок службы электролизера. Кроме того, для маломасштабных электролитических экспериментов обычно требуется внешний нагрев, поскольку количество тепла, генерируемое в процессе электролиза, не может поддерживать расплав электролита при постоянной заданной температуре. Если для внешнего нагрева используется нагревательная печь, размер и масштаб электролизера будут ограничены, а время работы будет относительно коротким. Если нагревательный элемент расположен внутри камеры, его необходимо заменять многократно или часто, что негативно сказывается на нормальной работе электролизера.In order to reduce the corrosion rate of the inert anode, the aluminum electrolytic cell with the inert anode generally uses a low-temperature electrolyte system. The low-temperature electrolyte system generally contains KF or LiF, the superheating degree during operation of the low-temperature electrolyte is relatively high, the side wall of the electrolytic cell is not easy to form a solidified crust, and the low-temperature electrolyte melt has strong permeability. The side wall materials and structures of the general electrolytic cell are easily corroded by the electrolyte melt. The electrolyte melt can even directly penetrate the thermal insulation layer through the cracks of the chamber, thereby destroying the material of the thermal insulation layer and affecting the service life of the electrolytic cell. In addition, small-scale electrolytic experiments generally require external heating, because the amount of heat generated in the electrolysis process cannot maintain the electrolyte melt at a constant set temperature. If a heating furnace is used for external heating, the size and scale of the electrolytic cell will be limited and the operating time will be relatively short. If the heating element is located inside the chamber, it must be replaced repeatedly or frequently, which negatively affects the normal operation of the electrolyzer.
Например, в китайской патентной заявке №201710678953.7, с названием «Электролизер с внутренним нагревом расплавленной соли», нагревательное устройство крепится к внутренней стенке электролизера, и можно проводить электролитические испытания при 100-1000 А, но само нагревательное устройство все равно необходимо регулярно заменять. В указанном патенте нагревательный элемент представляет собой одноконцевую электрическую нагревательную трубку, а защитный материал - графит. Хотя графит может выдерживать длительную коррозию расплавом электролита и жидким алюминием, он легко окисляется. При практическом использовании графит вблизи границы раздела расплава электролита быстро окисляется и легко перфорируется, а нагревательная трубка также легко повреждается. В частности, в процессе электролитического испытания алюминия с инертным анодом выделяется кислород, что ускоряет окисление графита, в результате чего нагревательное устройство приходится часто заменять, а диапазон колебаний температуры электролита велик, и электролитические эксперименты иногда не могут быть выполнены нормально. После повреждения нагревательного устройства температура падает, а электролит застывает, в результате чего поврежденное нагревательное устройство оказывается забетонированным на боковой стенке электролизера, что делает невозможным замену поврежденного нагревательного устройства и вынуждает остановить электролизер.For example, in Chinese Patent Application No. 201710678953.7, titled "Electrolytic Cell with Internal Molten Salt Heating", the heating device is fixed to the inner wall of the electrolytic cell, and electrolytic testing at 100-1000A can be carried out, but the heating device itself still needs to be replaced regularly. In the said patent, the heating element is a single-ended electric heating tube, and the protective material is graphite. Although graphite can withstand long-term corrosion by molten electrolyte and liquid aluminum, it is easy to oxidize. In practical use, the graphite near the interface of the molten electrolyte is quickly oxidized and easily perforated, and the heating tube is also easily damaged. In particular, in the process of electrolytic testing of aluminum with an inert anode, oxygen is released, which accelerates the oxidation of graphite, causing the heating device to be frequently replaced, and the temperature fluctuation range of the electrolyte is large, and electrolytic experiments sometimes cannot be performed normally. After the heating device is damaged, the temperature drops and the electrolyte freezes, causing the damaged heating device to be concreted on the side wall of the electrolyzer, making it impossible to replace the damaged heating device and forcing the electrolyzer to be stopped.
Существующие технические решения не способны эффективно решить проблемы в процессе производства и обеспечить стабильную работу алюминиевого электролизера с инертным анодом и вертикальной структурой. Поэтому существует необходимость в создании простого, стабильного и надежного алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции.The existing technical solutions are unable to effectively solve the problems in the production process and ensure the stable operation of the aluminum electrolyzer with an inert anode and a vertical structure. Therefore, there is a need to create a simple, stable and reliable aluminum electrolyzer with an inert anode of a vertical structure.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задачей настоящего изобретения является создание алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции для решения вышеуказанных технических проблем.The objective of the present invention is to create an aluminum electrolyzer with an inert anode of vertical design to solve the above-mentioned technical problems.
Для решения вышеуказанной задачи предложены варианты осуществления настоящего изобретения, раскрывающие алюминиевый электролизер с инертным анодом вертикальной конструкции, включающий: корпус электролизера, содержащий три изолирующих слоя, причем три изолирующих слоя включают в себя первый изолирующий слой, второй изолирующий слой и третий изолирующий слой, при этом первый изолирующий слой и второй изолирующий слой выполнены оба неподвижными, а первый изолирующий слой имеет канал, открывающийся наружу, причем выходное отверстие канала направлено вверх, а третий изолирующий слой выполнен заменяемым и подвижным; нагревательное устройство, расположенное в канале первого изолирующего слоя и предназначенное для регулирования температуры электролизера; графитовое основание, расположенное на дне внутренней полости корпуса электролизера и имеющее монтажный паз в нижней части, причем боковые стенки второго изолирующего слоя и дно графитового основания прикреплены к третьему изолирующему слою для формирования камеры электролизера, при этом камера электролизера предназначена для заполнения ее расплавом электролита и жидким алюминием; катоды, причем катод имеет форму вертикальной пластины, вертикально установленной в монтажном пазу и соединенной резьбовым соединением с графитовым основанием посредством графитовых болтов, причем контактные поверхности между графитовым основанием, графитовыми болтами и катодом покрыты катодной пастой; с одной стороны катода находится анод, причем анод расположен в шахматном порядке по отношению к катоду и подвешен над корпусом электролизера путем соединения с направляющим стержнем, ток анода проходит через направляющий стержень и поступает во внутреннюю часть корпуса электролизера из верхней части электролизера, а ток катода выводится из корпуса электролизера через металлический электрический стержень.In order to solve the above problem, embodiments of the present invention are proposed, disclosing an aluminum electrolyzer with an inert anode of vertical design, including: an electrolyzer body, containing three insulating layers, wherein the three insulating layers include a first insulating layer, a second insulating layer and a third insulating layer, wherein the first insulating layer and the second insulating layer are both made stationary, and the first insulating layer has a channel opening outward, wherein the outlet opening of the channel is directed upward, and the third insulating layer is made replaceable and movable; a heating device located in the channel of the first insulating layer and intended to regulate the temperature of the electrolyzer; a graphite base located on the bottom of the internal cavity of the electrolyzer body and having a mounting groove in the lower part, wherein the side walls of the second insulating layer and the bottom of the graphite base are attached to the third insulating layer to form an electrolyzer chamber, wherein the electrolyzer chamber is intended to be filled with molten electrolyte and liquid aluminum; cathodes, wherein the cathode has the form of a vertical plate, vertically installed in the mounting groove and connected by a threaded connection to the graphite base by means of graphite bolts, wherein the contact surfaces between the graphite base, the graphite bolts and the cathode are covered with a cathode paste; on one side of the cathode there is an anode, wherein the anode is arranged in a staggered manner with respect to the cathode and is suspended above the body of the electrolyzer by means of a connection with a guide rod, the anode current passes through the guide rod and enters the inner part of the body of the electrolyzer from the upper part of the electrolyzer, and the cathode current is discharged from the body of the electrolyzer through a metal electric rod.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Для того чтобы более ясно объяснить варианты осуществления настоящего раскрытия или технические решения предшествующего уровня техники, ниже будут кратко представлены сопроводительные чертежи, необходимые для использования в описании вариантов осуществления или предшествующего уровня техники. Очевидно, что сопроводительные чертежи в нижеследующем описании иллюстрируют только примерные варианты осуществления настоящего изобретения. Для специалистов в данной области другие сопроводительные чертежи могут быть получены на основе схем, показанных на этих сопроводительных чертежах, без приложения творческих усилий.In order to explain the embodiments of the present disclosure or the technical solutions of the prior art more clearly, the accompanying drawings necessary for use in describing the embodiments or the prior art will be briefly presented below. It is obvious that the accompanying drawings in the following description illustrate only exemplary embodiments of the present invention. For those skilled in the art, other accompanying drawings can be obtained based on the diagrams shown in these accompanying drawings without creative efforts.
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в поперечном сечении алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения в том случае, если нагрев осуществляют с помощью частиц кокса.Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of an aluminum electrolytic cell with an inert anode of vertical design according to some embodiments of the present invention in the case where heating is carried out using coke particles.
Фиг. 2 представляет собой схематический вид общей морфологии частиц кокса алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения в том случае, если внутренняя часть камеры электролизера имеет круглую форму.Fig. 2 is a schematic view of the general morphology of coke particles of an aluminum electrolytic cell with an inert anode of a vertical design according to some embodiments of the present invention in the case where the interior of the cell chamber has a circular shape.
Фиг. 3 представляет собой схематический вид общей морфологии частиц кокса алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения в том случае, если внутренняя часть камеры электролизера имеет форму прямоугольника.Fig. 3 is a schematic view of the general morphology of coke particles of an aluminum electrolytic cell with an inert anode of a vertical design according to some embodiments of the present invention in the case where the interior of the cell chamber has a rectangular shape.
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в поперечном сечении алюминиевого электролизера с инертным анодом на 200 А вертикальной конструкции в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения в том случае, если для нагрева используется первая металлическая нагревательная пластина.Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of a 200 A vertical inert anode aluminum electrolytic cell according to some embodiments of the present invention in the case where a first metal heating plate is used for heating.
Фиг. 5 представляет собой схематический вид общей морфологии первой металлической нагревательной пластины на Фиг. 4 при ее развороте.Fig. 5 is a schematic view of the overall morphology of the first metal heating plate of Fig. 4 when it is turned.
Фиг. 6 представляет собой схематический вид в поперечном сечении алюминиевого электролизера с инертным анодом на 1000 А вертикальной конструкции в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения в том случае, если для нагрева используется вторая металлическая нагревательная пластина.Fig. 6 is a schematic cross-sectional view of a 1000 A vertically constructed inert anode aluminum electrolytic cell in accordance with some embodiments of the present invention in the case where a second metal heating plate is used for heating.
Фиг. 7 представляет собой схематический вид общей морфологии второй металлической нагревательной пластины на Фиг. 6 при ее развороте.Fig. 7 is a schematic view of the overall morphology of the second metal heating plate of Fig. 6 when it is turned.
Обозначения позиций: 1 - корпус электролизера; 2 - пластина из керамического волокна; 3 - слой сухого защитного материала; 4 - первый изолирующий слой; 5 - нагревательное устройство; 6 - второй изолирующий слой; 7 - третий изолирующий слой; 8 - отрицательный графитовый стержень; 9 - теплоизоляционная крышка; 10 - уплотнительный слой теплоизоляции; 11 - направляющий стержень; 12 - металлический электрический стержень; 13 - графитовое основание; 14 - графитовый болт; 15 - катодная паста; 16 - катод; 17 - анод; 18 - положительный графитовый стержень; 19 - анодная шина; 20 - частица кокса; 21 - первая металлическая нагревательная пластина; 22 - первый стержень из нержавеющей стали; 23 - второй стержень из нержавеющей стали; 24 - вторая металлическая нагревательная пластина; 25 - третий стержень из нержавеющей стали; 26 - четвертый стержень из нержавеющей стали.Designations of positions: 1 - electrolyzer body; 2 - ceramic fiber plate; 3 - layer of dry protective material; 4 - first insulating layer; 5 - heating device; 6 - second insulating layer; 7 - third insulating layer; 8 - negative graphite rod; 9 - heat-insulating cover; 10 - sealing layer of heat insulation; 11 - guide rod; 12 - metal electric rod; 13 - graphite base; 14 - graphite bolt; 15 - cathode paste; 16 - cathode; 17 - anode; 18 - positive graphite rod; 19 - anode bus; 20 - coke particle; 21 - first metal heating plate; 22 - first stainless steel rod; 23 - second stainless steel rod; 24 - second metal heating plate; 25 - third stainless steel rod; 26 - fourth stainless steel rod.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Техническое решение в вариантах осуществления настоящего изобретения будет ясно и полно описаны ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, иллюстрирующие варианты осуществления настоящего изобретения. Очевидно, что описанные варианты осуществления являются примерными, и не охватывают все варианты осуществления настоящего изобретения. На основании вариантов осуществления настоящего изобретения все другие варианты осуществления, полученные специалистами в данной области без творческих усилий, подпадают под объем защиты, на который направлено настоящее изобретение.The technical solution in the embodiments of the present invention will be clearly and fully described below with reference to the accompanying drawings illustrating the embodiments of the present invention. It is obvious that the described embodiments are exemplary and do not cover all the embodiments of the present invention. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments obtained by persons skilled in the art without creative efforts fall within the scope of protection to which the present invention is directed.
Следует отметить, что все указания направления (такие как вверх, вниз, влево, вправо, вперед, назад и т.д.) в вариантах осуществления настоящего решения используются только для объяснения относительных позиционных отношений, условий движения и т.д. между элементами в определенном положении (как показано на сопроводительных чертежах), и в случае изменения определенного положения указание направления также будет изменено соответствующим образом.It should be noted that all direction indications (such as up, down, left, right, forward, backward, etc.) in the embodiments of the present solution are used only to explain the relative positional relationships, motion conditions, etc. between elements in a certain position (as shown in the accompanying drawings), and if the certain position is changed, the direction indication will also be changed accordingly.
В настоящем раскрытии, если явно не указано иное, термины «соединение», «неподвижный» и т.д. следует понимать в широком смысле. Например, под термином «неподвижный» может пониматься неподвижное соединение, разъемное соединение или цельное тело; или это может быть механическое соединение или электрическое соединение, прямое соединение или промежуточное соединение через промежуточную среду, или это может означать внутреннюю связь между двумя элементами или интерактивные отношения между двумя элементами, если явно не определено иное. Для специалистов в данной области конкретные значения вышеуказанных терминов в настоящей заявке могут быть понятны в зависимости от контекста.In the present disclosure, unless otherwise expressly stated, the terms "connection", "fixed", etc. should be understood in a broad sense. For example, the term "fixed" may mean a fixed connection, a detachable connection, or a solid body; or it may be a mechanical connection or an electrical connection, a direct connection or an intermediate connection through an intermediate medium, or it may mean an internal connection between two elements or an interactive relationship between two elements, unless otherwise expressly stated. For those skilled in the art, the specific meanings of the above terms in the present application may be understood depending on the context.
Кроме того, если в вариантах осуществления настоящего изобретения содержатся технические признаки, включающие «первый», «второй» и т.д., термины «первый», «второй» и т.д. предназначены только для описательных целей и их не следует понимать как термины, указывающие или подразумевающие относительную важность указанных технических признаков или неявно указывающие на количество указанных технических признаков. Поэтому признаки, содержащие «первый» и «второй», могут явно или неявно включать один или несколько указанных признаков. Кроме того, значение «и/или», встречающееся во всем тексте раскрытия, включает три альтернативных варианта. Например, «А и/или В» содержит следующие варианты: А или В; или как А, так и В. Кроме того, технические решения в различных вариантах осуществления могут быть объединены друг с другом, но это должно быть основано на реализации специалистами в данной области. Если комбинация технических решений противоречива или не может быть реализована, следует считать, что такой комбинации технических решений не существует, и она не входит в объем охраны, на который направлено настоящее изобретение.In addition, if the embodiments of the present invention contain technical features including "first", "second", etc., the terms "first", "second", etc. are intended for descriptive purposes only and should not be understood as terms indicating or implying the relative importance of said technical features or implicitly indicating the number of said technical features. Therefore, the features including "first" and "second" may explicitly or implicitly include one or more of said features. In addition, the meaning of "and/or" found throughout the disclosure includes three alternative options. For example, "A and/or B" includes the following options: A or B; or both A and B. In addition, the technical solutions in various embodiments can be combined with each other, but this should be based on the implementation by those skilled in the art. If the combination of technical solutions is contradictory or cannot be implemented, it should be considered that such a combination of technical solutions does not exist and is not included in the scope of protection to which the present invention is directed.
Как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, алюминиевый электролизер с инертным анодом вертикальной конструкции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения включает:As shown in Fig. 1 and Fig. 2, an aluminum electrolytic cell with an inert anode of vertical design according to one embodiment of the present invention includes:
корпус электролизера (1), внутри которого предусмотрены три изолирующих слоя; три изолирующих слоя включают первый изолирующий слой (4), второй изолирующий слой (6) и третий изолирующий слой (7); первый изолирующий слой (4) и второй изолирующий слой (6) являются неподвижными структурами, а первый изолирующий слой (4) содержит канал, открывающийся наружу; выходное отверстие канала направлено вверх, а третий изолирующий слой (7) имеет заменяемую и подвижную структуру;an electrolyzer body (1), inside which three insulating layers are provided; the three insulating layers include a first insulating layer (4), a second insulating layer (6) and a third insulating layer (7); the first insulating layer (4) and the second insulating layer (6) are fixed structures, and the first insulating layer (4) comprises a channel opening outward; the outlet of the channel is directed upward, and the third insulating layer (7) has a replaceable and movable structure;
нагревательное устройство (5), размещенное в канале первого изолирующего слоя (4) и предназначенное для регулирования температуры электролизера;a heating device (5) located in the channel of the first insulating layer (4) and designed to regulate the temperature of the electrolyzer;
графитовое основание (13), расположенное на дне внутренней полости корпуса электролизера (1). Дно графитового основания (13) имеет снаружи монтажный паз. Боковые стенки второго изолирующего слоя (6) и дно графитового основания (13) крепятся к третьему изолирующему слою (7), образуя камеру электролизера. Камера электролизера предназначена для ее заполнения расплавом электролита и жидким алюминием;a graphite base (13) located at the bottom of the internal cavity of the electrolyzer body (1). The bottom of the graphite base (13) has a mounting groove on the outside. The side walls of the second insulating layer (6) and the bottom of the graphite base (13) are attached to the third insulating layer (7), forming the electrolyzer chamber. The electrolyzer chamber is designed to be filled with molten electrolyte and liquid aluminum;
катод (16), причем катод (16) имеет форму вертикальной пластины. Катод (16) установлен вертикально в монтажном пазу и соединяется посредством резьбового соединения с графитовым основанием (13) с помощью графитовых болтов (14). Контактные поверхности между графитовым основанием (13), графитовыми болтами (14) и катодом (16) покрыты катодной пастой (15). С одной стороны катода (16) размещен анод (17), причем анод (17) и катоды (16) расположены в шахматном порядке, а анод (17) подвешен над корпусом электролизера (1) путем соединения с направляющим стержнем (11). Ток анода (17) проходит через направляющий стержень (11) и поступает во внутреннюю часть корпуса электролизера (1) из верхней части электролизера. Ток катода (16) проходит через графитовое основание (13) и выводится из корпуса электролизера (1) через металлический электрический стержень (12), соединенный с графитовым основанием (13).a cathode (16), wherein the cathode (16) has the form of a vertical plate. The cathode (16) is mounted vertically in the mounting groove and is connected by means of a threaded connection to the graphite base (13) using graphite bolts (14). The contact surfaces between the graphite base (13), the graphite bolts (14) and the cathode (16) are coated with a cathode paste (15). An anode (17) is placed on one side of the cathode (16), wherein the anode (17) and the cathodes (16) are arranged in a staggered manner, and the anode (17) is suspended above the body of the electrolyzer (1) by connecting to the guide rod (11). The current of the anode (17) passes through the guide rod (11) and enters the inner part of the body of the electrolyzer (1) from the upper part of the electrolyzer. The cathode current (16) passes through the graphite base (13) and is discharged from the electrolyzer body (1) through a metal electric rod (12) connected to the graphite base (13).
В некоторых вариантах осуществления изобретения корпус (1) электролизера имеет три изолирующих слоя внутри. Три изолирующих слоя включают последовательно от внутреннего к внешнему: заменяемый третий изолирующий слой (7) из плотного корундового материала; второй изолирующий слой (6) из плотного корундового материала; и первый изолирующий слой (4) из корундового литого материала. Первый изолирующий слой (4) снабжен каналом, открывающимся наружу, и в канале установлено нагревательное устройство (5) для регулирования температуры в электролизере. Третий изолирующий слой (7) выполнен из двух дугообразных плотных корундовых листов, которые могут быть заменены в любое время. Второй изолирующий слой (6) представляет собой целый тигель из плотного корунда. Графитовое основание (13) расположено на дне корундового тигля, а металлический электрический стержень (12) проходит через отверстие в корундовом тигле, и соединен с графитовым основанием (13) резьбовым соединением. Второй изолирующий слой (6) из плотного корундового материала обернут первым изолирующим слоем (4), образованным заливкой литейного корундового материала, чтобы сформировать круглую камеру электролизера без швов для хранения расплава электролита, жидкого алюминия и служить в качестве рабочей области для инертного анода (17) и смачиваемого катода (16). Размеры в натуральную величину внутреннего пространства камеры составляют: 300 мм в диаметре и 500 мм в глубину. Катод (16) представляет собой смачиваемый катод в форме вертикальной пластины. Катод (16) вставлен в монтажный паз графитового основания (13) в нижней части корпуса электролизера (1). Катод (16) и графитовое основание (13) соединены графитовыми болтами (14), а окружающие зазоры и ямки заполнены полностью катодной пастой (15). Ток катода (16) проходит через графитовое основание (13) и выводится из электролизера посредством металлического электрического стержня (12), соединенного с графитовым основанием (13). Инертный анод (17) имеет форму вертикальной пластины и располагается в шахматном порядке по отношению к катодам (16), и может быть подвешен над электролизером через направляющий стержень (11). Ток анода (17) проходит через анодную шину (19) и направляющий стержень (11) и поступает в электролизер из верхней части электролизера. Теплоизоляционный уплотнительный слой (10) в горловине камеры электролизера также является защитным слоем для направляющего стержня анода, и защитный слой изготовлен из корунда, пригодного для литья.In some embodiments of the invention, the body (1) of the electrolyzer has three insulating layers inside. The three insulating layers include, sequentially from the inner to the outer: a replaceable third insulating layer (7) made of dense corundum material; a second insulating layer (6) made of dense corundum material; and a first insulating layer (4) made of cast corundum material. The first insulating layer (4) is provided with a channel opening outward, and a heating device (5) is installed in the channel for regulating the temperature in the electrolyzer. The third insulating layer (7) is made of two arc-shaped dense corundum sheets that can be replaced at any time. The second insulating layer (6) is a whole crucible made of dense corundum. The graphite base (13) is located on the bottom of the corundum crucible, and the metal electric rod (12) passes through an opening in the corundum crucible and is connected to the graphite base (13) by a threaded connection. The second insulating layer (6) of dense corundum material is wrapped around the first insulating layer (4) formed by pouring the casting corundum material to form a seamless circular chamber of the electrolyzer for storing the electrolyte melt, liquid aluminum and to serve as a working area for the inert anode (17) and the wettable cathode (16). The full-size dimensions of the inner space of the chamber are: 300 mm in diameter and 500 mm in depth. The cathode (16) is a wettable cathode in the form of a vertical plate. The cathode (16) is inserted into the mounting groove of the graphite base (13) in the lower part of the electrolyzer body (1). The cathode (16) and the graphite base (13) are connected by graphite bolts (14), and the surrounding gaps and pits are completely filled with cathode paste (15). The cathode current (16) passes through the graphite base (13) and is removed from the electrolyzer by means of a metal electric rod (12) connected to the graphite base (13). The inert anode (17) has the form of a vertical plate and is staggered relative to the cathodes (16) and can be suspended above the electrolyzer via a guide rod (11). The anode current (17) passes through the anode busbar (19) and the guide rod (11) and enters the electrolyzer from the upper part of the electrolyzer. The heat-insulating sealing layer (10) in the neck of the electrolyzer chamber is also a protective layer for the anode guide rod, and the protective layer is made of corundum suitable for casting.
В некоторых вариантах осуществления изобретения нагревательное устройство (5) использует постоянный ток для нагрева и в нем располагаются элементы генерации тепла. Теплогенерирующим элементом могут быть частицы кокса (20), или первая металлическая нагревательная пластина (21), или вторая металлическая нагревательная пластина (24).In some embodiments of the invention, the heating device (5) uses direct current for heating and heat generating elements are located in it. The heat generating element may be coke particles (20), or a first metal heating plate (21), or a second metal heating plate (24).
В некоторых вариантах осуществления изобретения частицы кокса (20) включают одну или более из: частиц нефтяного кокса, частиц графита и графитового порошка. В частицы кокса (20) вставлены отрицательный графитовый стержень (8) и положительный графитовый стержень (18). Отрицательный электродный графитовый стержень (8) предназначен для вывода постоянного тока, а положительный электродный графитовый стержень (18) предназначен для ввода постоянного тока.In some embodiments of the invention, the coke particles (20) include one or more of: petroleum coke particles, graphite particles and graphite powder. A negative graphite rod (8) and a positive graphite rod (18) are inserted into the coke particles (20). The negative electrode graphite rod (8) is intended for outputting direct current, and the positive electrode graphite rod (18) is intended for inputting direct current.
В некоторых вариантах осуществления изобретения частицы кокса (20) находятся в канале первого изолирующего слоя (4). Отрицательный электродный графитовый стержень (8) и положительный электродный графитовый стержень (18) вставлены в частицы кокса (20) в качестве отрицательного электрода и положительного электрода соответственно для пропускания постоянного тока через частицы кокса (20). Частицы кокса (20) могут включать 50% частиц нефтяного кокса с размером частиц 1-3 мм, 45% частиц графита с размером частиц 1-3 мм и 5% графитового порошка. Нагревательным элементом являются частицы кокса (20) или первая металлическая нагревательная пластина (21) или вторая металлическая нагревательная пластина (24), а для нагрева используется постоянный ток, поэтому строение нагревательного элемента является простым, и нагревательный элемент имеет стабильную производительность. Даже если небольшое количество расплава электролита проникает в изолирующую боковую стенку, нагревательный элемент трудно повредить. При использовании частиц кокса (20) частицы кокса (20) не подвергаются коррозионному воздействию электролита, и поэтому проводимость и тепловыделение частиц кокса (20) практически не изменяются. Когда используется первая металлическая нагревательная пластина (21) или вторая металлическая нагревательная пластина (24), наполнитель глинозем способствует тому, что даже если небольшое количество расплава электролита проникнет внутрь изолирующей боковой стенки, электролит делается полутвердым, и поэтому проводимость и тепловыделение первой металлической нагревательной пластины (21) или второй металлической нагревательной пластины (24) не нарушаются. Кроме того, характеристики нагрева постоянным током, такие как низкое напряжение, высокий ток и требуемое низкое сопротивление теплогенерирующего элемента, делают возможным увеличение размера первой металлической нагревательной пластины (21) или второй металлической нагревательной пластины (24), так что способность противостоять окислению и способность противостоять коррозии также довольно хорошие. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает то, что температура электролизера стабильна, электролит не застывает, а боковая стенка третьего изолирующего слоя (7) не бетонируется, что облегчает ее замену. Стабильность, работоспособность и срок службы электролизера значительно улучшаются.In some embodiments of the invention, the coke particles (20) are in the channel of the first insulating layer (4). The negative electrode graphite rod (8) and the positive electrode graphite rod (18) are inserted into the coke particles (20) as a negative electrode and a positive electrode, respectively, for passing a direct current through the coke particles (20). The coke particles (20) may include 50% of petroleum coke particles with a particle size of 1-3 mm, 45% of graphite particles with a particle size of 1-3 mm, and 5% of graphite powder. The heating element is the coke particles (20) or the first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24), and direct current is used for heating, so the structure of the heating element is simple, and the heating element has a stable performance. Even if a small amount of molten electrolyte penetrates the insulating side wall, the heating element is difficult to damage. When using coke particles (20), the coke particles (20) are not subject to corrosion by the electrolyte, and therefore the conductivity and heat generation of the coke particles (20) are hardly changed. When the first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24) is used, the alumina filler contributes to the fact that even if a small amount of the electrolyte melt penetrates into the inside of the insulating side wall, the electrolyte is made semi-solid, and therefore the conductivity and heat generation of the first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24) are not impaired. In addition, the characteristics of direct current heating such as low voltage, high current and the required low resistance of the heat generating element make it possible to increase the size of the first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24), so that the oxidation resistance ability and the corrosion resistance ability are also quite good. Thus, the present invention ensures that the temperature of the electrolyzer is stable, the electrolyte does not freeze, and the side wall of the third insulating layer (7) is not concreted, which facilitates its replacement. The stability, performance and service life of the electrolyzer are significantly improved.
В некоторых вариантах осуществления изобретения теплоизоляционная крышка (9) расположена над каналом первого изолирующего слоя (4), и теплоизоляционная крышка (9) предназначена для уменьшения окисления и потерь при горении частиц кокса (20).In some embodiments of the invention, the heat-insulating cover (9) is located above the channel of the first insulating layer (4), and the heat-insulating cover (9) is designed to reduce oxidation and combustion losses of coke particles (20).
В некоторых вариантах осуществления изобретения, когда электролизер достигает заданной температуры и температура остается стабильной, постоянный ток слоев частиц кокса (20) составляет 1,2 кА, а напряжение слоев частиц кокса (20) составляет 4-5 В.In some embodiments of the invention, when the electrolyzer reaches a predetermined temperature and the temperature remains stable, the direct current of the coke particle layers (20) is 1.2 kA, and the voltage of the coke particle layers (20) is 4-5 V.
Когда напряжение слоев частиц кокса (20) превышает 5 В, это указывает на то, что происходит горение и потеря частиц кокса (20), поэтому в этом случае необходимо снять теплоизоляционную крышку (9), пополнить и утрамбовать частицы кокса (20) инструментом, чтобы напряжение слоев частиц кокса (20) восстановилось до уровня ниже 5 В. Когда необходимо изменить мощность нагрева, это может быть достигнуто путем регулировки величины постоянного тока.When the voltage of the coke particle layers (20) exceeds 5V, it indicates that the coke particles (20) are burning and losing, so in this case, it is necessary to remove the heat-insulating cover (9), replenish and compact the coke particles (20) with a tool so that the voltage of the coke particle layers (20) is restored to below 5V. When it is necessary to change the heating power, it can be achieved by adjusting the DC value.
В некоторых вариантах осуществления материал первой металлической нагревательной пластины (21) или второй металлической нагревательной пластины (24) может быть одним из: нержавеющей стали 310S, феррохром-алюминиевого сплава, сплава монель и сплава инконель. Первая металлическая нагревательная пластина (21) или вторая металлическая нагревательная пластина (24) заполнены промышленным глиноземом или корундовым песком для уменьшения окисления первой металлической нагревательной пластины (21) или второй металлической нагревательной пластины (24) в процессе нагрева постоянным током, проходящим через них.In some embodiments, the material of the first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24) may be one of: 310S stainless steel, ferrochrome-aluminum alloy, monel alloy and inconel alloy. The first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24) is filled with industrial alumina or corundum sand to reduce oxidation of the first metal heating plate (21) or the second metal heating plate (24) during heating with direct current passing through them.
В некоторых вариантах осуществления катод (16) представляет собой композитную керамику TiB2-C горячего прессования, а содержание TiB2 составляет ≥60 масс. %.In some embodiments, the cathode (16) is a hot-pressed TiB 2 -C composite ceramic and the TiB 2 content is ≥60 wt%.
В некоторых вариантах осуществления первый изолирующий слой (4) сформирован как одно целое путем заливки литейного корунда. Второй изолирующий слой (6) изготовлен из материала, устойчивого к окислению и коррозии в электролите. Материал второго изолирующего слоя (6) может быть одним из: керамики NiFe2O4, керамики NiFe2O4-NiO, плотного корунда, керамики из нитрида бора, керамики из нитрида алюминия, керамики из нитрида кремния, керамики из карбида кремния и керамики, образованной путем соединения карбида кремния с нитридом кремния. Третий изолирующий слой (7) изготовлен из плотного корундового материала.In some embodiments, the first insulating layer (4) is formed as a single piece by pouring cast corundum. The second insulating layer (6) is made of a material resistant to oxidation and corrosion in the electrolyte. The material of the second insulating layer (6) can be one of: NiFe 2 O 4 ceramics, NiFe 2 O 4 -NiO ceramics, dense corundum, boron nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, silicon nitride ceramics, silicon carbide ceramics, and ceramics formed by combining silicon carbide with silicon nitride. The third insulating layer (7) is made of dense corundum material.
В некоторых вариантах осуществления, как показано на Фиг. 2 и Фиг. 3, форма внутренней части камеры электролизера может быть круглой или прямоугольной.In some embodiments, as shown in Fig. 2 and Fig. 3, the shape of the interior of the electrolyzer chamber may be circular or rectangular.
В некоторых вариантах осуществления снаружи трех изолирующих слоев внутри корпуса электролизера (1) выполнен первый теплоизоляционный слой с защитой от просачивания. Первый теплоизоляционный слой с защитой от просачивания включает в себя последовательно от внутреннего к внешнему: слой сухого защитного материала (3), пластину из керамического волокна (2) и стальной корпус электролизера.In some embodiments, a first thermal insulation layer with protection against leakage is formed on the outside of the three insulating layers inside the electrolyzer body (1). The first thermal insulation layer with protection against leakage includes, sequentially from the inner to the outer: a layer of dry protective material (3), a ceramic fiber plate (2), and a steel electrolyzer body.
В некоторых вариантах осуществления изобретения под графитовым основанием (13) на дне внутренней части корпуса электролизера (1) выполнен второй теплоизоляционный слой с защитой от просачивания. Второй теплоизоляционный слой с защитой от просачивания включает в себя последовательно от внутреннего к внешнему: литой корунд, слой сухого защитного материала (3), пластину из керамического волокна (2) и стальной корпус электролизера.In some embodiments of the invention, a second heat-insulating layer with protection against leakage is made under the graphite base (13) on the bottom of the inner part of the electrolyzer body (1). The second heat-insulating layer with protection against leakage includes, sequentially from the inner to the outer: cast corundum, a layer of dry protective material (3), a plate of ceramic fiber (2) and a steel body of the electrolyzer.
В некоторых вариантах осуществления изобретения изолирующая боковая стенка электролизера расположена в три слоя. Боковая стенка третьего изолирующего слоя (7) выполнена из плотного корундового материала, чтобы электролит не загрязнялся, при этом боковая стенка третьего изолирующего слоя представляет собой заменяемый буферный слой. Заменяемый буферный слой является первой физической защитой для боковой стенки второго изолирующего слоя (6), чтобы избежать прямого воздействия расплава электролита на боковую стенку второго изолирующего слоя (6). Боковая стенка второго изолирующего слоя (6) изготовлена из материала, устойчивого к окислению и коррозии расплавом электролита. Первый изолирующий слой (4) целостно отлит из литейного корунда, чтобы заключить боковую стенку второго изолирующего слоя (6) и графитовое основание (13) в нижней части корпуса электролизера (1) в единое целое без зазоров. Температура изолирующей боковой стенки постепенно снижается изнутри наружу, и поэтому вместе со слоем сухого защитного материала (3) можно эффективно предотвратить утечку расплава электролита в наружный теплоизоляционный слой, тем самым значительно продлевая срок службы электролизера.In some embodiments of the invention, the insulating side wall of the electrolyzer is arranged in three layers. The side wall of the third insulating layer (7) is made of a dense corundum material so that the electrolyte is not contaminated, wherein the side wall of the third insulating layer is a replaceable buffer layer. The replaceable buffer layer is the first physical protection for the side wall of the second insulating layer (6) in order to avoid direct exposure of the electrolyte melt to the side wall of the second insulating layer (6). The side wall of the second insulating layer (6) is made of a material resistant to oxidation and corrosion by the electrolyte melt. The first insulating layer (4) is integrally cast from cast corundum in order to enclose the side wall of the second insulating layer (6) and the graphite base (13) in the lower part of the electrolyzer body (1) in a single whole without gaps. The temperature of the insulating side wall gradually decreases from the inside to the outside, and therefore, together with the dry protective material layer (3), the leakage of the electrolyte melt into the outer heat-insulating layer can be effectively prevented, thereby greatly extending the service life of the electrolyzer.
Кроме того, поскольку боковые стенки первого изолирующего слоя (4) изготовлены из литого корундового материала, размер электролизера не ограничен и, таким образом может соответствовать требованиям, предъявляемым к электролизерам различного масштаба. Например, могут быть выполнены требования, предъявляемые к электролизерам от десятков ампер до тысяч ампер, используемых в лабораториях, и требования, предъявляемые к электролизерам от десятков тысяч ампер до сотен тысяч ампер, используемых в промышленных испытаниях.In addition, since the side walls of the first insulating layer (4) are made of cast corundum material, the size of the electrolyzer is not limited and can thus meet the requirements of electrolyzers of various scales. For example, the requirements of electrolyzers from tens of amperes to thousands of amperes used in laboratories and the requirements of electrolyzers from tens of thousands of amperes to hundreds of thousands of amperes used in industrial testing can be met.
В настоящем раскрытии приводятся электролитические испытания, проведенные с помощью алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции, реализованного в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Ниже приведено описание соответствующих электролитических испытаний и их результаты.The present disclosure provides electrolytic tests conducted using an aluminum electrolytic cell with an inert anode of a vertical design, implemented in accordance with some embodiments of the present invention. A description of the corresponding electrolytic tests and their results is provided below.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан алюминиевый электролизер с инертным анодом 100 А, электроды которого расположены вертикально, а катод соединен с дном электролизера. Нагревательными элементами являются частицы кокса (20).Fig. 1 and Fig. 2 show an aluminum electrolyzer with an inert anode of 100 A, the electrodes of which are located vertically, and the cathode is connected to the bottom of the electrolyzer. The heating elements are coke particles (20).
Трехслойная изолирующая боковая стенка электролизера включает в себя последовательно от внутреннего к внешнему: сменный третий изолирующий слой (7) на внутреннем слое из плотного корундового материала; второй изолирующий слой (6) из плотного корундового материала; и первый изолирующий слой (4) из литого корундового материала. Первый изолирующий слой (4) содержит канал, открывающийся отверстием вверх, и в канале находятся частицы кокса (20). Отрицательный электродный графитовый стержень (8) и положительный электродный графитовый стержень (18) вставлены в частицы кокса (20) в качестве отрицательного электрода и положительного электрода соответственно для пропускания постоянного тока через частицы кокса (20). Третий изолирующий слой (7) выполнен из двух дугообразных плотных корундовых листов, которые могут быть заменены в любое время. Второй изолирующий слой (6) представляет собой цельный тигель из плотного корунда. На дно корундового тигля помещено графитовое основание (13). Металлический электрический стержень (12) проходит через отверстие, выполненное в корундовом тигле, и соединен с графитовым основанием (13) с помощью резьбового соединения. Второй изолирующий слой (6) из плотного корундового материала обернут первым изолирующим слоем (4), образованным заливкой литейного корундового материала, чтобы сформировать круглую камеру электролизера без швов для заполнения ее расплавом электролита и жидким алюминием и служить рабочей областью для инертного анода (17) и смачиваемого катода (16). Размеры внутреннего пространства камеры составляют: 300 мм в диаметре и 500 мм в глубину. Снаружи первого изолирующего слоя (4) предусмотрен теплоизоляционный слой с защитой от просачивания. Теплоизоляционный слой с защитой от просачивания включает в себя последовательно от внутреннего к внешнему: слой сухого защитного материала (3), пластину из керамического волокна (2) и стальной корпус электролизера.The three-layer insulating side wall of the electrolyzer includes, sequentially from the inner to the outer: a replaceable third insulating layer (7) on the inner layer made of dense corundum material; a second insulating layer (6) made of dense corundum material; and a first insulating layer (4) made of cast corundum material. The first insulating layer (4) comprises a channel opening with the opening upward, and coke particles (20) are located in the channel. A negative electrode graphite rod (8) and a positive electrode graphite rod (18) are inserted into the coke particles (20) as a negative electrode and a positive electrode, respectively, for passing direct current through the coke particles (20). The third insulating layer (7) is made of two arc-shaped dense corundum sheets that can be replaced at any time. The second insulating layer (6) is a solid crucible made of dense corundum. A graphite base (13) is placed on the bottom of the corundum crucible. A metal electric rod (12) passes through an opening made in the corundum crucible and is connected to the graphite base (13) using a threaded connection. The second insulating layer (6) of dense corundum material is wrapped around the first insulating layer (4) formed by pouring the casting corundum material in order to form a round chamber of the electrolyzer without seams for filling it with molten electrolyte and liquid aluminum and to serve as a working area for the inert anode (17) and wettable cathode (16). The dimensions of the internal space of the chamber are: 300 mm in diameter and 500 mm in depth. A heat-insulating layer with protection against leakage is provided on the outside of the first insulating layer (4). The thermal insulation layer with anti-permeation protection includes, in sequence from the inner to the outer: a layer of dry protective material (3), a ceramic fiber plate (2) and a steel body of the electrolyzer.
В качестве смачиваемого катода (16) используется композитная керамика TiB2-C горячего прессования с содержанием TiB2 более 60%, имеющая форму вертикальной пластины. Смачиваемый катод (16) встроен в монтажный паз графитового основания (13) в нижней части электролизера. Катод (16) и графитовое основание (13) соединены графитовыми болтами (14), а окружающие зазоры и ямки заполнены до верха молотой катодной пастой (15). Ток катода (16) проходит через графитовое основание (13) и выводится из электролизера металлическим электрическим стержнем (12), соединенным с графитовым основанием (13). Инертный анод (17) имеет форму вертикальной пластины и располагается в шахматном порядке по отношению к катодам (16), и подвешен над электролизером посредством направляющего стержня (11). Ток анода проходит через анодную шину (19) и направляющий стержень (11) и поступает в электролизер из верхней части электролизера. Теплоизоляционный уплотнительный слой (10) горловины камеры электролизера служит защитным слоем для направляющего стержня анода, и защитный слой может быть изготовлен из литейного корундового материала.The wetted cathode (16) is made of hot-pressed TiB2 -C composite ceramics with a TiB2 content of more than 60%, in the form of a vertical plate. The wetted cathode (16) is built into the mounting groove of the graphite base (13) in the lower part of the electrolyzer. The cathode (16) and the graphite base (13) are connected by graphite bolts (14), and the surrounding gaps and pits are filled to the top with ground cathode paste (15). The cathode (16) current passes through the graphite base (13) and is removed from the electrolyzer by a metal electric rod (12) connected to the graphite base (13). The inert anode (17) is in the form of a vertical plate and is staggered relative to the cathodes (16), and is suspended above the electrolyzer by means of a guide rod (11). The anode current passes through the anode busbar (19) and the guide rod (11) and enters the electrolyzer from the upper part of the electrolyzer. The heat-insulating sealing layer (10) of the neck of the electrolyzer chamber serves as a protective layer for the anode guide rod, and the protective layer can be made of cast corundum material.
Частицы кокса (20), заполняющие канал первого изолирующего слоя (4), включают 50% частиц нефтяного кокса с размером частиц 1-3 мм, 45% частиц графита с размером частиц 1-3 мм и 5% смешанного графитового порошка. Отрицательный электродный графитовый стержень (8) и положительный электродный графитовый стержень (18) используются в качестве отрицательного электрода и положительного электрода соответственно для пропускания постоянного тока через частицы кокса (20). Когда электролизер достигает заданной температуры и температура остается стабильной, постоянный ток слоев частиц кокса (20) составляет 1,2 кА, а напряжение слоев частиц кокса (20) составляет 4-5 В. Когда напряжение слоев частиц кокса (20) превышает 5 В, это указывает на то, что происходит сгорание и потеря частиц кокса (20), поэтому в этом случае необходимо снять теплоизоляционную крышку (9), пополнить и утрамбовать частицы кокса (20) с помощью инструмента, чтобы напряжение слоев частиц кокса (20) восстановилось до уровня ниже 5 В. Когда необходимо изменить мощность нагрева, это может быть достигнуто путем регулировки величины постоянного тока.The coke particles (20) filling the channel of the first insulating layer (4) include 50% of petroleum coke particles with a particle size of 1-3 mm, 45% of graphite particles with a particle size of 1-3 mm and 5% of mixed graphite powder. The negative electrode graphite rod (8) and the positive electrode graphite rod (18) are used as a negative electrode and a positive electrode, respectively, for passing direct current through the coke particles (20). When the electrolytic cell reaches the set temperature and the temperature remains stable, the direct current of the coke particle layers (20) is 1.2 kA, and the voltage of the coke particle layers (20) is 4-5 V. When the voltage of the coke particle layers (20) exceeds 5 V, it indicates that the coke particles (20) are being burned and lost, so in this case, it is necessary to remove the heat-insulating cover (9), replenish and compact the coke particles (20) with a tool so that the voltage of the coke particle layers (20) is restored to below 5 V. When it is necessary to change the heating power, this can be achieved by adjusting the direct current value.
В процессе электролитического испытания используется низкотемпературная система электролита KF-NaF-AlF3, температура электролиза составляет 800-850°С, постоянный ток электролитического процесса составляет 100 А, используются два смачиваемых катода и один инертный анод. Электролитический процесс требует непрерывной подачи глинозема для питания, и жидкий алюминий, образующийся на дне, также должен регулярно удаляться. Третий изолирующий слой (7) изготовлен из плотного корундового материала и заменяется примерно каждые 10 дней; частицы кокса (20) пополняются в небольших количествах каждые 2 дня. После проведения электролитического испытания в течение около 1000 часов электролитическое испытание и нагрев прекращаются, из-за необходимости проверки инертного анода. После извлечения инертного анода, электролита и жидкого алюминия электролизер остался неповрежденным.The electrolytic test process uses the low-temperature KF-NaF-AlF 3 electrolyte system, the electrolysis temperature is 800-850 °C, the direct current of the electrolytic process is 100 A, two wetted cathodes and one inert anode are used. The electrolytic process requires continuous supply of alumina for power, and the liquid aluminum formed at the bottom also needs to be removed regularly. The third insulating layer (7) is made of dense corundum material and is replaced about every 10 days; coke particles (20) are replenished in small quantities every 2 days. After the electrolytic test has been carried out for about 1000 hours, the electrolytic test and heating are stopped, due to the need to check the inert anode. After removing the inert anode, electrolyte and liquid aluminum, the electrolytic cell remains intact.
В некоторых вариантах осуществления изобретения на Фиг. 3 показан алюминиевый электролизер с инертным анодом 200 А, электроды которого расположены вертикально, а катод соединен с дном электролизера. Нагревательными элементами являются частицы кокса (20).In some embodiments of the invention, Fig. 3 shows an aluminum electrolyzer with an inert anode of 200 A, the electrodes of which are arranged vertically, and the cathode is connected to the bottom of the electrolyzer. The heating elements are coke particles (20).
Трехслойная изолирующая боковая стенка электролизера включает последовательно от внутреннего к внешнему: сменный третий изолирующий слой (7) из плотного корундового материала; второй изолирующий слой (6) из керамического материала на основе NiFe2O4; первый изолирующий слой (4) из литого корундового материала. Первый изолирующий слой (4) имеет канал, открывающийся наружу отверстием вверх, и в канале содержатся частицы кокса (20). Отрицательный электродный графитовый стержень (8) и положительный электродный графитовый стержень (18) вставлены в частицы кокса (20) в качестве отрицательного электрода и положительного электрода соответственно для пропускания постоянного тока через частицы кокса (20). Третий изолирующий слой (7) выполнен из четырех прямоугольных плотных корундовых листов, которые могут быть заменены в любое время. Второй изолирующий слой (6) также включает четыре прямоугольных керамических блока на основе NiFe2O4 и соединен с краями графитового основания (13). Второй изолирующий слой (6) обернут первым изолирующим слоем (4), сформированным путем заливки литейного корундового материала, чтобы сформировать прямоугольную камеру электролизера без зазоров. Прямоугольная камера электролизера используется для заполнения ее расплавом электролита и жидким алюминием, а также служит рабочей областью для инертного анода (17) и смачиваемого катода (16). Размеры внутреннего пространства камеры составляют: 320 мм в длину, 270 мм в ширину и 500 мм в глубину. Снаружи первого изолирующего слоя (4) предусмотрен теплоизоляционный слой с защитой от просачивания. Теплоизоляционный слой с защитой от просачивания включает последовательно от внутреннего к наружному: слой сухого защитного материала (3), пластину из керамического волокна (2) и стальной корпус электролизера.The three-layer insulating side wall of the electrolyzer includes, sequentially from the inner to the outer: a replaceable third insulating layer (7) made of dense corundum material; a second insulating layer (6) made of a ceramic material based on NiFe 2 O 4 ; the first insulating layer (4) made of cast corundum material. The first insulating layer (4) has a channel opening outward with the opening upward, and the channel contains coke particles (20). A negative electrode graphite rod (8) and a positive electrode graphite rod (18) are inserted into the coke particles (20) as a negative electrode and a positive electrode, respectively, for passing direct current through the coke particles (20). The third insulating layer (7) is made of four rectangular dense corundum sheets, which can be replaced at any time. The second insulating layer (6) also includes four rectangular ceramic blocks based on NiFe 2 O 4 and is connected to the edges of the graphite base (13). The second insulating layer (6) is wrapped by the first insulating layer (4) formed by pouring the casting corundum material to form a rectangular chamber of the electrolyzer without gaps. The rectangular chamber of the electrolyzer is used to fill it with molten electrolyte and liquid aluminum, and also serves as a working area for the inert anode (17) and the wettable cathode (16). The dimensions of the internal space of the chamber are: 320 mm in length, 270 mm in width and 500 mm in depth. A thermal insulation layer with leakage protection is provided on the outside of the first insulating layer (4). The thermal insulation layer with leakage protection includes sequentially from the inner to the outer: a layer of dry protective material (3), a ceramic fiber plate (2) and a steel body of the electrolyzer.
В качестве смачиваемого катода (16) используется композитная керамика TiB2-C горячего прессования с содержанием TiB2 более 60% и со структурой в виде вертикальной пластины. Смачиваемый катод (16) встроен в монтажный паз графитового основания (13) в нижней части электролизера. Катод (16) и графитовое основание (13) соединены графитовыми болтами (14), а окружающие зазоры и ямки заполнены до верху молотой катодной пастой (15). Ток катода (16) проходит через графитовое основание (13) и выводится из электролизера металлическим электрическим стержнем (12), соединенным с графитовым основанием (13). Инертный анод (17) имеет форму вертикальной пластины и располагается в шахматном порядке по отношению к катодам (16), и подвешен над электролизером с помощью направляющего стержня (11). Ток анода проходит через анодную шину (19) и направляющий стержень (11) и поступает в электролизер из верхней части электролизера. Теплоизоляционный уплотнительный слой (10) в горловине камеры электролизера является защитным слоем для направляющего стержня анода, и защитный слой изготовлен из литейного корундового материала.The wetted cathode (16) is made of hot-pressed TiB2 -C composite ceramics with a TiB2 content of more than 60% and a structure in the form of a vertical plate. The wetted cathode (16) is built into the mounting groove of the graphite base (13) in the lower part of the electrolyzer. The cathode (16) and the graphite base (13) are connected by graphite bolts (14), and the surrounding gaps and pits are filled to the top with ground cathode paste (15). The cathode (16) current passes through the graphite base (13) and is removed from the electrolyzer by a metal electric rod (12) connected to the graphite base (13). The inert anode (17) has the form of a vertical plate and is staggered relative to the cathodes (16) and is suspended above the electrolyzer by means of a guide rod (11). The anode current passes through the anode busbar (19) and the guide rod (11) and enters the electrolyzer from the upper part of the electrolyzer. The heat-insulating sealing layer (10) in the neck of the electrolyzer chamber is a protective layer for the anode guide rod, and the protective layer is made of cast corundum material.
Частицы кокса (20), заполняющие канал первого изолирующего слоя (4), могут включать 50% частиц нефтяного кокса с размером частиц 1-3 мм, 45% частиц графита с размером частиц 1-3 мм и 5% графитового порошка. Отрицательный электродный графитовый стержень (8) и положительный электродный графитовый стержень (18) предусмотрены в качестве отрицательного и положительного электродов соответственно для пропускания постоянного тока через частицы кокса (20). Когда электролизер достигает заданной температуры и температура остается стабильной, постоянный ток слоев частиц кокса (20) составляет 1,5 кА, а напряжение слоев частиц кокса (20) составляет 4-5 В. Когда напряжение слоев частиц кокса (20) превышает 5 В, это указывает на то, что происходит сгорание и потеря частиц кокса (20), поэтому необходимо снять теплоизоляционную крышку (9), пополнить и утрамбовать частицы кокса (20) инструментом, чтобы напряжение слоев частиц кокса (20) восстановилось до уровня ниже 5 В. Когда необходимо изменить мощность нагрева, это может быть достигнуто путем регулировки величины постоянного тока.The coke particles (20) filling the channel of the first insulating layer (4) may include 50% of petroleum coke particles with a particle size of 1-3 mm, 45% of graphite particles with a particle size of 1-3 mm and 5% of graphite powder. The negative electrode graphite rod (8) and the positive electrode graphite rod (18) are provided as negative and positive electrodes, respectively, for passing direct current through the coke particles (20). When the electrolytic cell reaches the set temperature and the temperature remains stable, the direct current of the coke particle layers (20) is 1.5 kA, and the voltage of the coke particle layers (20) is 4-5 V. When the voltage of the coke particle layers (20) exceeds 5 V, it indicates that the coke particles (20) are being burned and lost, so it is necessary to remove the heat-insulating cover (9), replenish and compact the coke particles (20) with a tool so that the voltage of the coke particle layers (20) is restored to below 5 V. When it is necessary to change the heating power, this can be achieved by adjusting the direct current value.
В процессе электролитического испытания используется система низкотемпературного электролита KF-NaF-AlF3, температура электролиза составляет 800-850°С, постоянный ток электролитического процесса составляет 200 А, используются два смачиваемых катода и один инертный анод. Электролитический процесс требует непрерывной подачи глинозема для питания, и жидкий алюминий, образующийся на дне, также должен регулярно удаляться, чтобы всегда поддерживать уровень алюминия ниже, чем коррозионно-стойкие изолирующие боковые стенки в середине, тем самым предотвращая коррозию керамического материала на основе NiFe2O4 при воздействии жидкого алюминия. Третий изолирующий слой (7) изготовлен из плотного корундового материала и заменяется примерно каждые 10 дней. Частицы кокса (20) добавляют в небольших количествах каждые 2 дня. Когда электролитическое испытание продолжается около 1000 часов, электролитическое испытание и нагрев прекращаются из-за необходимости проверки инертного анода. После извлечения инертного анода, электролита и жидкого алюминия для наблюдения за электролитической ячейкой, электролитическая ячейка остается неповрежденной.The electrolytic test process uses KF-NaF-AlF 3 low temperature electrolyte system, the electrolysis temperature is 800-850 °C, the direct current of the electrolytic process is 200 A, two wetted cathodes and one inert anode are used. The electrolytic process requires continuous supply of alumina for power, and the liquid aluminum formed at the bottom also needs to be removed regularly to always keep the aluminum level lower than the corrosion-resistant insulating side walls in the middle, thereby preventing the corrosion of NiFe 2 O 4 ceramic material when exposed to liquid aluminum. The third insulating layer (7) is made of dense corundum material and is replaced about every 10 days. Coke particles (20) are added in small quantities every 2 days. When the electrolytic test continues for about 1000 hours, the electrolytic test and heating are stopped due to the need to check the inert anode. After removing the inert anode, electrolyte and liquid aluminum to observe the electrolytic cell, the electrolytic cell remains intact.
В некоторых вариантах осуществления изобретения на Фиг. 4 и Фиг. 5 показан алюминиевый электролизер с инертным анодом 200 А, электроды которого расположены вертикально, а катод соединен с дном электролизера. Нагревательным элементом является первая металлическая нагревательная пластина (21).In some embodiments of the invention, Fig. 4 and Fig. 5 show an aluminum electrolyzer with an inert anode of 200 A, the electrodes of which are arranged vertically, and the cathode is connected to the bottom of the electrolyzer. The heating element is the first metal heating plate (21).
Трехслойная изолирующая боковая стенка электролизера включает последовательно от внутреннего к внешнему: сменный третий изолирующий слой (7) из плотного корундового материала; второй изолирующий слой (6) из материала, образованного соединением карбида кремния с нитридом кремния; первый изолирующий слой (4) из литого корундового материала. Первый изолирующий слой (4) имеет канал, открывающийся наружу отверстием вверх, и в канале установлены две первые металлические нагревательные пластины (21). Первый стержень из нержавеющей стали (22) и второй стержень из нержавеющей стали (23) приварены к первой металлической нагревательной пластине (21), чтобы служить отрицательным электродом и положительным электродом соответственно для пропускания постоянного тока через первую металлическую нагревательную пластину (21). Третий изолирующий слой (7) включает четыре прямоугольных плотных корундовых листа, которые могут быть заменены в любое время. Второй изолирующий слой (6) также состоит из четырех прямоугольных блоков, изготовленных из керамики, образованной соединением карбида кремния с нитридом кремния, и соединенных с краями графитового основания (13). Второй изолирующий слой (6) обернут первым изолирующим слоем (4), сформованным путем заливки литейного корундового материала, чтобы сформировать прямоугольную камеру электролизера без щелей. Прямоугольная камера электролизера используется для заполнения ее расплавом электролита, жидким алюминием и служит в качестве рабочей области для инертного анода (17) и смачиваемого катода (16). Размеры внутреннего пространства камеры составляют: 320 мм в длину, 270 мм в ширину и 500 мм в глубину. Снаружи первого изолирующего слоя (4) предусмотрен теплоизоляционный слой с защитой от просачивания. Теплоизоляционный слой с защитой от просачивания включает в себя последовательно от внутреннего к внешнему: слой сухого защитного материала (3), пластину из керамического волокна (2) и стальной корпус электролизера.The three-layer insulating side wall of the electrolyzer includes, sequentially from the inner to the outer: a replaceable third insulating layer (7) made of dense corundum material; a second insulating layer (6) made of a material formed by a compound of silicon carbide with silicon nitride; a first insulating layer (4) made of cast corundum material. The first insulating layer (4) has a channel opening outward with an opening upward, and two first metal heating plates (21) are installed in the channel. The first stainless steel rod (22) and the second stainless steel rod (23) are welded to the first metal heating plate (21) to serve as a negative electrode and a positive electrode, respectively, for passing direct current through the first metal heating plate (21). The third insulating layer (7) includes four rectangular dense corundum sheets that can be replaced at any time. The second insulating layer (6) also consists of four rectangular blocks made of ceramics formed by a compound of silicon carbide and silicon nitride and connected to the edges of the graphite base (13). The second insulating layer (6) is wrapped by the first insulating layer (4) formed by pouring a casting corundum material to form a rectangular chamber of the electrolyzer without gaps. The rectangular chamber of the electrolyzer is used to fill it with molten electrolyte, liquid aluminum and serves as a working area for the inert anode (17) and the wetted cathode (16). The dimensions of the internal space of the chamber are: 320 mm in length, 270 mm in width and 500 mm in depth. A heat-insulating layer with protection against leakage is provided on the outside of the first insulating layer (4). The thermal insulation layer with anti-permeation protection includes, in sequence from the inner to the outer: a layer of dry protective material (3), a ceramic fiber plate (2) and a steel body of the electrolyzer.
В качестве смачиваемого катода (16) используется композитная керамика TiB2-C горячего прессования с содержанием TiB2 более 60% и со структурой в виде вертикальной пластины. Смачиваемый катод (16) встроен в монтажный паз графитового основания (13) в нижней части электролизера. Катод (16) и графитовое основание (13) соединены графитовыми болтами (14), а окружающие зазоры и ямки заполнены до верха молотой катодной пастой (15). Ток катода (16) проходит через графитовое основание (13) и выводится из электролизера металлическим электрическим стержнем (12), соединенным с графитовым основанием (13). Инертный анод (17) имеет форму вертикальной пластины и располагается в шахматном порядке по отношению к катодам (16), и подвешен над электролизером через направляющий стержень (11). Ток анода проходит через анодную шину (19) и направляющий стержень (11) и поступает в электролизер из верхней части электролизера. Теплоизоляционный уплотнительный слой (10) в горловине печи электролизера является защитным слоем для направляющего стержня анода, и защитный слой изготовлен из литейного корундового материала.The wetted cathode (16) is made of hot-pressed TiB2 -C composite ceramics with a TiB2 content of more than 60% and a structure in the form of a vertical plate. The wetted cathode (16) is built into the mounting groove of the graphite base (13) in the lower part of the electrolyzer. The cathode (16) and the graphite base (13) are connected by graphite bolts (14), and the surrounding gaps and pits are filled to the top with ground cathode paste (15). The cathode (16) current passes through the graphite base (13) and is removed from the electrolyzer by a metal electric rod (12) connected to the graphite base (13). The inert anode (17) has the form of a vertical plate and is staggered relative to the cathodes (16) and is suspended above the electrolyzer via a guide rod (11). The anode current passes through the anode busbar (19) and the guide rod (11) and enters the electrolyzer from the upper part of the electrolyzer. The heat-insulating sealing layer (10) in the neck of the electrolyzer furnace is a protective layer for the anode guide rod, and the protective layer is made of cast corundum material.
Две первые металлические нагревательные пластины (21), вырезанные из одного куска листа нержавеющей стали 310s, размещены в канале первого изолирующего слоя (4). Две первые металлические нагревательные пластины (21) имеют одинаковую форму и соединены параллельно. Габаритные параметры каждой первой металлической нагревательной пластины (21) могут быть следующими: толщина около 10 мм, ширина вырезанной полосы около 40 мм и общая длина вырезанной полосы около 4000 мм. Две первые металлические нагревательные пластины (21) нагревают две боковые стенки печи. Параллельное сопротивление двух первых металлических нагревательных пластин (21) при температуре 800°С составляет 0,0068 Ом, при постоянном токе 1 кА и напряжении 6,8 В. Зазоры между первыми металлическими нагревательными пластинами (21) и каналом заполнены с помощью промышленного оксидного наполнителя.The first two metal heating plates (21), cut from a single piece of 310s stainless steel sheet, are placed in the channel of the first insulating layer (4). The first two metal heating plates (21) have the same shape and are connected in parallel. The overall parameters of each first metal heating plate (21) may be as follows: thickness of about 10 mm, width of the cut strip of about 40 mm and total length of the cut strip of about 4000 mm. The first two metal heating plates (21) heat two side walls of the furnace. The parallel resistance of the first two metal heating plates (21) at a temperature of 800 °C is 0.0068 ohms, at a direct current of 1 kA and a voltage of 6.8 V. The gaps between the first metal heating plates (21) and the channel are filled with industrial oxide filler.
В процессе электролитического испытания используется система низкотемпературного электролита KF-NaF-AlF3, температура электролиза составляет 800-850°С, постоянный ток электролитического процесса составляет 200 А, используются два смачиваемых катода и один инертный анод. Электролитический процесс требует непрерывной подачи глинозема для питания, и жидкий алюминий, образующийся на дне, также должен регулярно удаляться, чтобы всегда поддерживать уровень жидкого алюминия ниже, чем коррозионно-стойкие изоляционные боковые стенки в середине, тем самым предотвращая коррозию жидким алюминием материала, образованного карбидом кремния, сочетающимся с нитридом кремния. Третий изолирующий слой (7) изготовлен из плотного корундового материала и заменяется примерно каждые 10 дней. Когда электролитическое испытание продолжается около 1000 часов, электролитическое испытание и нагрев прекращаются из-за необходимости проверки инертного анода. После того как инертный анод, электролит и жидкий алюминий извлечены для наблюдения за электролизером, электролизер остается неповрежденным, а поверхность первой металлической нагревательной пластины (21) лишь слегка окислена.The electrolytic test process uses KF-NaF-AlF 3 low-temperature electrolyte system, the electrolysis temperature is 800-850 °C, the direct current of the electrolytic process is 200 A, two wetted cathodes and one inert anode are used. The electrolytic process requires continuous supply of alumina for power, and the liquid aluminum formed at the bottom also needs to be removed regularly to always keep the liquid aluminum level lower than the corrosion-resistant insulating side walls in the middle, thereby preventing the liquid aluminum from corroding the material formed by silicon carbide combined with silicon nitride. The third insulating layer (7) is made of dense corundum material and is replaced about every 10 days. When the electrolytic test continues for about 1000 hours, the electrolytic test and heating are stopped due to the need to check the inert anode. After the inert anode, electrolyte and liquid aluminum are removed for observation of the electrolyzer, the electrolyzer remains intact and the surface of the first metal heating plate (21) is only slightly oxidized.
В некоторых вариантах осуществления изобретения на Фиг. 6 и Фиг. 7 показан алюминиевый электролизер с инертным анодом 1000 А, электроды которого расположены вертикально, а катод соединен с дном электролизера. Теплогенерирующим элементом является вторая металлическая нагревательная пластина (24).In some embodiments of the invention, Fig. 6 and Fig. 7 show an aluminum electrolyzer with an inert anode of 1000 A, the electrodes of which are arranged vertically, and the cathode is connected to the bottom of the electrolyzer. The heat-generating element is the second metal heating plate (24).
Трехслойная изолирующая боковая стенка электролизера включает последовательно от внутреннего к внешнему: сменный третий изолирующий слой (7) из плотного корундового материала; второй изолирующий слой (6) из материала, образованного соединением карбида кремния с нитридом кремния; первый изолирующий слой (4) из литого корундового материала. Первый изолирующий слой (4) имеет канал, открывающийся наружу отверстием вверх, и в канале установлены две вторые металлические нагревательные пластины (24). Третий стержень из нержавеющей стали (25) и четвертый стержень из нержавеющей стали (26) приварены ко второй металлической нагревательной пластине (24), чтобы служить в качестве отрицательного и положительного электродов соответственно для прохождения постоянного тока через вторую металлическую нагревательную пластину (24). Третий изолирующий слой (7) включает четыре прямоугольных плотных корундовых листа, которые могут быть заменены в любое время. Второй изолирующий слой (6) выполнен из восьми прямоугольных блоков, изготовленных из керамики, образованной соединением карбида кремния с нитридом кремния, и соединенных с краями графитового основания (13). Второй изолирующий слой (6) обернут первым изолирующим слоем (4), сформованным путем заливки литейного корундового материала, чтобы сформировать прямоугольную камеру электролизера без зазоров. Прямоугольная камера электролизера используется для заполнения расплавом электролита и жидким алюминием, а также служит рабочей областью для инертного анода (17) и смачиваемого катода (16). Размеры внутреннего пространства камеры могут быть следующими: 960 мм в длину, 270 мм в ширину и 500 мм в глубину. Снаружи боковой стенки (4) первого изолирующего слоя предусмотрен слой теплоизоляции с защитой от просачивания. Теплоизоляционный слой с защитой от просачивания включает последовательно от внутреннего к внешнему: слой сухого защитного материала (3), пластину из керамического волокна (2) и стальной корпус электролизера.The three-layer insulating side wall of the electrolyzer includes, sequentially from the inner to the outer: a replaceable third insulating layer (7) made of dense corundum material; a second insulating layer (6) made of a material formed by a compound of silicon carbide with silicon nitride; a first insulating layer (4) made of cast corundum material. The first insulating layer (4) has a channel opening outward with an opening upward, and two second metal heating plates (24) are installed in the channel. A third stainless steel rod (25) and a fourth stainless steel rod (26) are welded to the second metal heating plate (24) to serve as negative and positive electrodes, respectively, for passing direct current through the second metal heating plate (24). The third insulating layer (7) includes four rectangular dense corundum sheets that can be replaced at any time. The second insulating layer (6) is made of eight rectangular blocks made of ceramics formed by a compound of silicon carbide with silicon nitride and connected to the edges of the graphite base (13). The second insulating layer (6) is wrapped by the first insulating layer (4) formed by pouring a casting corundum material to form a rectangular chamber of the electrolyzer without gaps. The rectangular chamber of the electrolyzer is used for filling with molten electrolyte and liquid aluminum, and also serves as a working area for the inert anode (17) and the wettable cathode (16). The dimensions of the internal space of the chamber can be as follows: 960 mm in length, 270 mm in width and 500 mm in depth. A layer of thermal insulation with protection against leakage is provided on the outside of the side wall (4) of the first insulating layer. The thermal insulation layer with anti-permeation protection includes, in sequence from the inner to the outer: a layer of dry protective material (3), a ceramic fiber plate (2) and a steel body of the electrolyzer.
Смачиваемый катод (16) выполнен из композитной керамики TiB2-C горячего прессования с содержанием TiB2 более 60% и имеет структуру в форме вертикальной пластины. Смачиваемый катод (16) встроен в монтажный паз графитового основания (13) в нижней части электролизера. Катод (16) и графитовое основание (13) соединены вместе графитовыми болтами (14), а окружающие зазоры и ямки заполнены до верха молотой катодной пастой (15). Ток катода (16) проходит через графитовое основание (13) и выводится из электролизера через графитовое основание (13) с помощью металлического электрического стержня (12), соединенного с графитовым основанием (13). Инертный анод (17) имеет форму вертикальной пластины и располагается в шахматном порядке по отношению к катодам (16), и подвешен над электролизером через направляющий стержень (11). Ток анода проходит через анодную шину (19) и направляющий стержень (11) и поступает в электролизер из верхней части электролизера. Теплоизоляционный уплотнительный слой (10) горловины камеры электролизера является защитным слоем для направляющего стержня анода, и защитный слой изготовлен из литейного корундового материала.The wetted cathode (16) is made of hot-pressed TiB2 -C composite ceramics with a TiB2 content of more than 60% and has a structure in the form of a vertical plate. The wetted cathode (16) is built into a mounting groove of the graphite base (13) in the lower part of the electrolyzer. The cathode (16) and the graphite base (13) are connected together with graphite bolts (14), and the surrounding gaps and pits are filled to the top with ground cathode paste (15). The cathode (16) current passes through the graphite base (13) and is removed from the electrolyzer through the graphite base (13) by means of a metal electric rod (12) connected to the graphite base (13). The inert anode (17) has the form of a vertical plate and is staggered relative to the cathodes (16) and is suspended above the electrolyzer via a guide rod (11). The anode current passes through the anode busbar (19) and the guide rod (11) and enters the electrolyzer from the upper part of the electrolyzer. The heat-insulating sealing layer (10) of the neck of the electrolyzer chamber is a protective layer for the anode guide rod, and the protective layer is made of cast corundum material.
Две вторые металлические нагревательные пластины (24), вырезанные из одного куска листа нержавеющей стали 310S, размещены в канале первого изолирующего слоя (4). Две вторые металлические нагревательные пластины (24) имеют одинаковую форму и соединены параллельно. Габаритные параметры каждой второй металлической нагревательной пластины (24) могут быть следующими: толщина около 12 мм, ширина вырезанной полосы около 80 мм, а общая длина вырезанной полосы около 8000 мм. Две вторые металлические нагревательные пластины (24) обогревают две боковые стенки камеры. Параллельное сопротивление двух вторых металлических нагревательных пластин (24) при температуре 800°С составляет 0,0057 Ом, при постоянном токе 1,6 кА и напряжении 9,12 В. Зазоры между вторыми металлическими нагревательными пластинами (24) и каналом заполнены с помощью промышленного оксидного наполнителя.Two second metal heating plates (24), cut from a single piece of 310S stainless steel sheet, are placed in the channel of the first insulating layer (4). The two second metal heating plates (24) have the same shape and are connected in parallel. The overall parameters of each second metal heating plate (24) may be as follows: thickness of about 12 mm, width of the cut strip of about 80 mm, and the total length of the cut strip of about 8000 mm. The two second metal heating plates (24) heat two side walls of the chamber. The parallel resistance of the two second metal heating plates (24) at a temperature of 800°C is 0.0057 ohms, at a direct current of 1.6 kA and a voltage of 9.12 V. The gaps between the second metal heating plates (24) and the channel are filled with industrial oxide filler.
В процессе электролитического испытания используется система низкотемпературного электролита KF-NaF-AlF3, температура электролиза составляет 800-850°С, постоянный ток электролитического процесса составляет 1000 А, и используются шесть смачиваемых катодов (16) и пять инертных анодов (17). Электролитический процесс требует непрерывной подачи глинозема для питания, и жидкий алюминий, образующийся на дне, также должен регулярно удаляться, чтобы всегда поддерживать уровень жидкого алюминия ниже, чем коррозионно-стойкие изоляционные боковые стенки в середине, тем самым предотвращая коррозию жидким алюминием материала, образованного карбидом кремния, сочетающимся с нитридом кремния. Третий изолирующий слой (7) изготовлен из плотного корундового материала и заменяется примерно каждые 10 дней. Когда электролитическое испытание продолжается около 2000 часов, электролитическое испытание и нагрев прекращаются в связи с необходимостью проверки инертного анода. После того как инертный анод, электролит и жидкий алюминий извлечены для наблюдения за электролизером, электролизер остается неповрежденным, а поверхность второй металлической нагревательной пластины (24) лишь слегка окислена.The electrolytic test process uses KF-NaF-AlF 3 low-temperature electrolyte system, the electrolysis temperature is 800-850 °C, the direct current of the electrolytic process is 1000 A, and six wetted cathodes (16) and five inert anodes (17) are used. The electrolytic process requires continuous supply of alumina for power, and the liquid aluminum formed at the bottom also needs to be removed regularly to always keep the liquid aluminum level lower than the corrosion-resistant insulating side walls in the middle, thereby preventing the liquid aluminum from corroding the material formed by silicon carbide combined with silicon nitride. The third insulating layer (7) is made of dense corundum material and is replaced about every 10 days. When the electrolytic test continues for about 2000 hours, the electrolytic test and heating are stopped due to the need to check the inert anode. After the inert anode, electrolyte and liquid aluminum are removed for observation of the electrolyzer, the electrolyzer remains intact and the surface of the second metal heating plate (24) is only slightly oxidized.
С помощью алюминиевого электролизера с инертным анодом вертикальной конструкции в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения достигаются следующие полезные технические эффекты:Using an aluminum electrolyzer with an inert anode of vertical design in accordance with embodiments of the present invention, the following useful technical effects are achieved:
(1) Нагревательное устройство постоянного тока расположено в канале первого изолирующего слоя, в качестве теплогенерирующего элемента используются частицы кокса или первая металлическая нагревательная пластина, или вторая металлическая нагревательная пластина. Таким образом, обеспечивается простая конструкция, стабильная производительность, длительный срок службы, а нагрев постоянным током отличается низким напряжением и безопасной работой.(1) The DC heating device is arranged in the channel of the first insulating layer, and the coke particles or the first metal heating plate or the second metal heating plate are used as the heat generating element. Thus, the structure is simple, the performance is stable, the service life is long, and the DC heating is characterized by low voltage and safe operation.
(2) Первый изолирующий слой выполнен из литого корундового материала, так что размеры и масштаб электролизера не ограничены, чтобы соответствовать электролитическим испытаниям различных масштабов.(2) The first insulating layer is made of cast corundum material, so that the size and scale of the electrolytic cell are not limited to meet the electrolytic tests of various scales.
(3) Внутренняя часть корпуса электролизера представляет собой структуру из трех изолирующих слоев. Третий изолирующий слой является сменным буферным слоем, второй изолирующий слой является коррозионно-стойким слоем, а первый изолирующий слой является нагревательным теплоизоляционным слоем. Решаются следующие проблемы: нагрев электролизера и его теплоизоляция, когда масштаб электролизера мал; боковые стенки внутри корпуса электролизера легко подвергаются коррозии без защитной застывшей корки; расплав электролита легко проникает через щели камеры и повреждает теплоизоляционный слой.(3) The inside of the electrolytic cell body is a three-layer insulating structure. The third insulating layer is a replaceable buffer layer, the second insulating layer is a corrosion-resistant layer, and the first insulating layer is a heating thermal insulation layer. The following problems are solved: the heating of the electrolytic cell and its thermal insulation when the scale of the electrolytic cell is small; the side walls inside the electrolytic cell body are easily corroded without a protective solidified crust; the electrolyte melt easily penetrates through the cracks of the chamber and damages the thermal insulation layer.
(4) Графитовые болты используются для совместной работы с молотой катодной пастой для достижения эффективного проводящего соединения между катодом и графитовым основанием. Была решена проблема, связанная с тем, что при использовании только молотой катодной пасты или при непосредственном соединении катода с металлическим направляющим стержнем легко возникают сбои.(4) Graphite bolts are used to work together with ground cathode paste to achieve effective conductive connection between the cathode and the graphite base. The problem that failures easily occur when using only ground cathode paste or directly connecting the cathode to the metal guide rod has been solved.
Вышеперечисленные варианты является лишь примерами осуществления настоящего изобретения и не предназначены для ограничения объема охраны, испрашиваемого настоящим изобретением. Эквивалентные структурные преобразования, выполненные с использованием материалов описания и сопроводительных чертежей настоящего изобретения, или прямые/непрямые применения в других смежных областях техники в соответствии с изобретательской концепцией настоящего решения, включены в объем охраны, испрашиваемый настоящим изобретением.The above variants are only examples of the implementation of the present invention and are not intended to limit the scope of protection sought by the present invention. Equivalent structural transformations made using the materials of the description and accompanying drawings of the present invention, or direct/indirect applications in other related fields of technology in accordance with the inventive concept of the present solution, are included in the scope of protection sought by the present invention.
Claims (14)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310009797.0 | 2023-01-04 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2024106431A RU2024106431A (en) | 2024-09-23 |
| RU2836402C2 true RU2836402C2 (en) | 2025-03-14 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5006209A (en) * | 1990-02-13 | 1991-04-09 | Electrochemical Technology Corp. | Electrolytic reduction of alumina |
| US6800191B2 (en) * | 2002-03-15 | 2004-10-05 | Northwest Aluminum Technologies | Electrolytic cell for producing aluminum employing planar anodes |
| RU2275443C2 (en) * | 2004-07-23 | 2006-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Multipolar electrolysis bath for production of the molten metals by the electrolysis of the melts and the method of the electrolysis baths mounting |
| RU2616754C1 (en) * | 2015-11-13 | 2017-04-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Aluminium electrolyser with artificial crust |
| RU2668615C2 (en) * | 2012-12-13 | 2018-10-02 | СГЛ КФЛ ЦЕ Гмбх | Side bock for electrolytic cell wall for reducing aluminum |
| CN107541755B (en) * | 2017-08-10 | 2019-03-08 | 中国铝业股份有限公司 | A kind of internal heating type fused-salt bath |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5006209A (en) * | 1990-02-13 | 1991-04-09 | Electrochemical Technology Corp. | Electrolytic reduction of alumina |
| US6800191B2 (en) * | 2002-03-15 | 2004-10-05 | Northwest Aluminum Technologies | Electrolytic cell for producing aluminum employing planar anodes |
| RU2275443C2 (en) * | 2004-07-23 | 2006-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" | Multipolar electrolysis bath for production of the molten metals by the electrolysis of the melts and the method of the electrolysis baths mounting |
| RU2668615C2 (en) * | 2012-12-13 | 2018-10-02 | СГЛ КФЛ ЦЕ Гмбх | Side bock for electrolytic cell wall for reducing aluminum |
| RU2616754C1 (en) * | 2015-11-13 | 2017-04-18 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Aluminium electrolyser with artificial crust |
| CN107541755B (en) * | 2017-08-10 | 2019-03-08 | 中国铝业股份有限公司 | A kind of internal heating type fused-salt bath |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6419813B1 (en) | Cathode connector for aluminum low temperature smelting cell | |
| US6419812B1 (en) | Aluminum low temperature smelting cell metal collection | |
| US6866768B2 (en) | Electrolytic cell for production of aluminum from alumina | |
| CN101709485B (en) | Aluminum electrolytic cell for producing virgin aluminum by inert anode | |
| CA2118245C (en) | Anode-cathode arrangement for aluminum production cells | |
| AU2014244488B2 (en) | Systems and methods of protecting electrolysis cells | |
| CA1164823A (en) | Electrode arrangement in a cell for manufacture of aluminum from molten salts | |
| US20160108532A1 (en) | Method and apparatus for liquid metal electrode connection in production or refining of metals | |
| CN114599820A (en) | Molten Salt Film Electrolyzer | |
| US4098651A (en) | Continuous measurement of electrolyte parameters in a cell for the electrolysis of a molten charge | |
| CN104047025A (en) | Systems and methods of protecting electrolysis cell sidewalls | |
| CN102400179A (en) | Method for protecting electrode guide rod of inert electrode aluminum electrolysis cell | |
| RU2836402C2 (en) | Aluminium electrolysis cell with inert anode of vertical design | |
| Ransley | The Application of the refractory carbides and borides to aluminum reduction cells | |
| AU2023312378B2 (en) | Inert anode aluminum electrolytic cell with vertical structure | |
| RU2679224C9 (en) | Thermochemical resistant anode for electrolysis of aluminum | |
| CA2910088C (en) | Cathode block having a slot with a varying depth and a filled intermediate space | |
| RU2734512C1 (en) | Thermochemically stable anode for aluminum electrolysis | |
| Murphy et al. | Production of lead metal by molten-salt electrolysis with energy-efficient electrodes | |
| RU2024106431A (en) | ALUMINUM ELECTROLYSER WITH INERT ANODE OF VERTICAL DESIGN | |
| AU1354302A (en) | Aluminum low temperature smelting cell metal collection |