КАТОДЫ ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ПАЗОМ НЕПЛОСКОЙ КОНФИГУРАЦИИ
CATHODES FOR ALUMINIUM ELECTROLYTIC CELLS WITH GROOVE OF NONPLANAR CONFIGURATION

Изобретение относится к катодам для алюминиевых электролизеров, состоящим из катодных блоков и прикрепленных к этим блокам токоотводящих стержней, причем принимающие токоотводящий стержень пазы в этих катодах имеют неплоскую конфигурацию. Кроме того, конструкция токоотводящего стержня приспособлена к такой неплоской конфигурации. В результате достигается более однородное распределение тока по длине катода. Это обеспечивает более длительный срок эксплуатации таких катодов за счет уменьшенного износа катода и, таким образом, повышает производительность электролизера.
Алюминий традиционно производят способом Холла-Эру электролизом глинозема, растворенного в расплавах электролитов на основе криолита, при температурах вплоть до примерно 970°C. Восстановительный электролизер Холла-Эру обычно имеет стальной кожух, снабженный изолирующей футеровкой из огнеупорного материала, который, в свою очередь, имеет футеровку из углерода, соприкасающуюся с расплавленными компонентами. В основание углеродного катода, образующее подину электролизера, заделаны выполненные из стали токоотводящие стержни, соединенные с отрицательным полюсом источника постоянного тока. В электролизере обычной конструкции стальные катодные токоотводящие стержни проходят от внешних шин через каждую боковую стенку электролизной ванны в угольные катодные блоки.
Каждый катодный блок имеет на своей нижней поверхности один или два паза или углубления, проходящие между противоположными боковыми концами блока, для приема стальных токоотводящих стержней. Обычно эти пазы вырезают прямоугольной формы. В непосредственной близости от электролизера эти токоотводящие стержни помещают в указанные пазы и прикрепляют к катодным блокам, чаще всего с помощью чугуна (так называемой "заливки") для улучшения электрического контакта между угольными катодными блоками и сталью. Подготовленные таким образом угольные или графитовые катодные блоки устанавливают в подине электролизера с использованием тяжелого оборудования, например кранов, и, наконец, соединяют друг с другом с помощью набивной смеси антрацита, графита и каменноугольного пека, с получением готовой подины электролизера. Паз в катодном блоке может содержать внутри себя один единственный токоотводящий стержень или два токоотводящих стержня, обращенных друг к другу в центре катодного блока, совпадающем с центром электролизера. В последнем случае промежуток между токоотводящими стержнями заполняют дробленым материалом или кусками угля, или уплотненной шовной смесью, или, что предпочтительно, смесью этих материалов.
Электролизеры Холла-Эру для восстановления алюминия работают при низких напряжениях (например, 4-5 В) и высоких силах тока (например, 100000-400000 A). Электрический ток высокой силы поступает в электролизер сверху через анодное устройство и затем проходит через криолитную ванну, через слой расплавленного металла алюминия, входит в угольный катодный блок, а затем выводится из электролизера по токоотводящим стержням.
Электрический ток, протекающий через слой алюминия и катод, идет по пути наименьшего сопротивления. Электрическое сопротивление в обычном катодном токоотводящем стержне пропорционально длине пути тока от точки, где электрический ток входит в катодный токоотводящий стержень, до ближайшей внешней шины. Более низкое сопротивление пути тока, начинающегося в ближних к внешней шине точках на катодном токоотводящем стержне, заставляет протекающий ток внутри слоя расплавленного алюминия и угольных катодных блоков отклоняться в данном направлении. Горизонтальные компоненты протекающего электрического тока взаимодействуют с вертикальной компонентой магнитного поля в электролизере, оказывая неблагоприятное влияние на эффективность работы электролизера.
Высокая температура и агрессивная химическая природа электролита вместе создают тяжелые рабочие условия. Следовательно, существующая технология катодных токоотводящих стержней в электролизере Холла-Эру ограничивается катаными или литыми профилями из низкоуглеродистой стали (в первом случае также называемых блюмсами). Для сравнения, такие потенциально альтернативные металлы, как медь или серебро, обладают высокой электропроводностью, но низкими температурами плавления и высокой стоимостью.
Вплоть до нескольких лет назад высокая температура плавления и низкая стоимость стали компенсировали ее относительно низкую электропроводность. Электропроводность стали настолько низка по сравнению с электропроводностью слоя металла алюминия, что внешняя треть токоотводящего стержня, наиболее близкая к боковой стенке электролизной ванны, несет наибольшую часть токовой нагрузки, при этом создается крайне неравномерное распределение катодного тока внутри каждого катодного блока. Вследствие химических свойств, физических свойств и, в частности, электрических свойств обычных катодных блоков на основе антрацита низкая электропроводность стали не представляла серьезного ограничения процесса до недавнего времени. С учетом относительно низкой проводимости стальных стержней то же самое объяснение применимо по отношению к относительно высокому контактному сопротивлению между катодом и чугуном, которое до сих пор не играло преобладающей роли в попытках повышения эффективности электролизера. Однако, в связи с общей тенденцией к более высоким затратам на электроэнергию, данный эффект становится не столь незначительным фактором для эффективности выплавки.
С тех пор алюминиевые электролизеры увеличились в размере, так как рабочая сила тока увеличилась в целях экономии за счет масштаба производства. Поскольку увеличилась рабочая сила тока, стали распространенными графитовые катодные блоки на основе кокса вместо антрацита, и, кроме того, процентное содержание графита в катодах увеличилось с целью использования преимуществ улучшенных электрических свойств и максимального повышения производительности. Во многих случаях это привело к переходу на частично или полностью графитизированные катодные блоки. Графитизация угольных блоков происходит в широком диапазоне температур от примерно 2000°C и вплоть до 3000°C или даже выше. Термины "частично графитизированный" или "полностью графитизированный" катод относятся к степени упорядоченности внутри доменов кристаллической структуры углерода. Тем не менее, между указанными состояниями нельзя провести четкой границы. В принципе, степень кристаллизации или графитизации, соответственно, возрастает с максимальной температурой, а также со временем обработки в процессе нагревания угольных блоков. Для описания настоящего изобретения авторы объединили указанные термины, используя термины "графит" или "графитовый катод" для любых катодных блоков при температурах выше примерно 2000°C. В свою очередь, термины "уголь" или "угольный катод" используются для катодных блоков, которые были нагреты до температур ниже 2000°C.
Будучи вызванным использованием угольных и графитовых катодов, обеспечивающих более высокие электропроводности, повышенное внимание следовало уделить некоторым техническим эффектам, которые до настоящего момента не были в центре внимания:
- износ катодных блоков,
- неравномерное распределение тока,
- потеря энергии на границе раздела между катодным блоком и чугуном.
Все три эффекта в некоторой степени взаимосвязаны, и любые технические меры в идеале должны обращаться более чем к одному пункту данной триады.
Износ катодных блоков главным образом обусловлен механической эрозией из-за турбулентности слоя металла, электрохимическими реакциями с расходованием углерода, которым содействуют ускоренные мощные электрические токи, проникновением электролита и жидкого алюминия, а также внедрением натрия, что вызывает набухание и деформацию катодных блоков и набивной смеси. В результате образования трещин в катодных блоках компоненты ванны перемещаются к стальным катодным токоотводящим стержням и образуют отложения на поверхности герметизирующего чугуна, приводя к ухудшению электрического контакта и неоднородности распределения тока. Если жидкий алюминий достигает поверхности железа, то в результате сплавления немедленно происходит коррозия, при этом производится алюминий с повышенным содержанием железа, принуждая преждевременно останавливать работу всего электролизера.
Эрозия катодного блока происходит неравномерно по длине блока. Основной причиной отказа, особенно при использовании графитовых катодных блоков, является высоко локализованная эрозия поверхности катодного блока около его боковых концов, придающая этой поверхности W-образный профиль и, в конечном счете, приводящая к воздействию металлического алюминия на токоотводящий стержень. В ряде конструкций электролизеров более высокие максимальные скорости эрозии наблюдались для этих блоков с более высоким содержанием графита, чем для обычных угольных катодных блоков. Эрозия в графитовых катодах может протекать со скоростью вплоть до 60 мм в год. Таким образом, ради рабочих характеристик жертвуют сроком эксплуатации.
Между высокой скоростью износа местоположением области максимального износа и неоднородностью распределения катодного тока существует связь. Графитовые катоды являются более электропроводными и в результате имеют намного более неоднородный профиль распределения катодного тока и, следовательно, подвергаются более интенсивному износу.
В US 2786024 (Wleugel) предлагается преодолеть неоднородное распределение катодного тока за счет использования токоотводящих стержней, которые изогнуты вниз от центра электролизера так, чтобы толщина катодного блока между токоотводящим стержнем и слоем расплавленного металла возрастала от центра к боковым краям электролизера. Данное предложение потребовало бы не только изогнутых элементов, но и значительного изменения всей конструкции электролизера. Эти требования помешали данному подходу найти применение на практике.
В US 4110179 (Tschopp) описан алюминиевый электролизер с однородной плотностью электрического тока по всей ширине электролизера. Это достигается благодаря постепенному уменьшению толщины слоя чугуна между угольными катодными блоками и заделанными в них токоотводящими стержнями к краю электролизера. В другом варианте воплощения того изобретения слой чугуна разделен на сегменты непроводящими зазорами с увеличивающимся к краю электролизера размером. Однако на практике оказалось слишком сложно и дорого вводить подобные измененные слои чугуна.
В US 6387237 (Homley и др.) заявлен алюминиевый электролизер с однородной плотностью электрического тока, включающий токоотводящие стержни с медными вставками, расположенными в области рядом с центром электролизера, таким образом обеспечивая более высокую электропроводность в центральной области электролизера. Опять же, данный способ не нашел применения в алюминиевых электролизерах из-за дополнительных технических и эксплуатационных сложностей, а также затрат на реализацию описанного решения.
Ни в одном подходе предыдущего уровня техники не рассматривалось применение катодных блоков со стандартными внешними размерами, имеющих измененную конфигурацию пазов и приспособленных к такой конфигурации токоотводящих стержней.
Таким образом, для того чтобы полностью реализовать эксплуатационные преимущества угольных и графитовых катодных блоков без каких-либо компромиссов в отношении существующих эксплуатационных процедур и стандартных конструкцией электролизеров, необходимо снизить скорости износа катодов и повысить срок службы электролизера, обеспечив более однородное распределение катодного тока и в то же время обеспечивая катоды со стандартными внешними размерами.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить угольные или графитовые катодные блоки со стандартными внешними размерами и с пазами для токоотводящих стержней, отличающиеся тем, что глубина паза увеличивается к центру катодного блока. В катодах, содержащих такие катодные блоки и стандартные стальные токоотводящие стержни, электрические силовые линии, т.е. электрический ток, уведены от боковых краев блока к центру блока, таким образом обеспечивая более однородное распределение тока по длине катодного блока.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить катод, содержащий угольный или графитовый катодный блок со стандартными внешними размерами и с пазами для токоотводящих стержней с увеличивающейся к центру катодного блока глубиной и прикрепленными токоотводящими стержнями, отличающийся тем, что толщина токоотводящих стержней увеличивается к центру блока на стороне, обращенной к верхней поверхности паза. В соответствующих катодах электрические силовые линии, т.е. электрический ток, уведены от боковых краев блока к центру блока еще более заметно, чем в случае с изменением только конфигурации паза. Следовательно, данный вариант воплощения обеспечивает значительное улучшение однородности распределения тока по длине катодного блока.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления катодов для алюминиевых электролизеров путем изготовления угольного или графитового катодного блока и прикрепления стального токоотводящего стержня к такому облицованному блоку.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе электролизера предыдущего уровня техники для производства алюминия, показывающий распределение катодного тока;
фиг.2 изображает схематический вид сбоку катода предыдущего уровня техники;
фиг.3 представляет собой схематический вид сбоку катода согласно этому изобретению;
фиг.4А, В представляет собой схематический вид сбоку двух вариантов исполнения катодного блока для катода согласно этому изобретению;
фиг.5 представляет собой схематический вид сбоку катода согласно этому изобретению;
фиг.6 представляет собой схематический вид сбоку катода согласно этому изобретению;
фиг.7 изображает схематический вид сбоку электролизера для производства алюминия с катодом, согласно этому изобретению, показывающий распределение катодного тока;
фиг.8 представляет собой схематический трехмерный вид сверху катода согласно этому изобретению.
Обращаясь к фиг.1, там показан разрез электролизера для производства алюминия, имеющего катод 1 предыдущего уровня техники. Токоотводящий стержень 2 имеет прямоугольное поперечное сечение и изготовлен из низкоуглеродистой стали. Он вставлен в предназначенный для токоотводящего стержня паз 3 катодного блока 4 и прикреплен к нему с помощью чугуна 5. Катодный блок 4 выполнен из угля или графита способами, хорошо известными специалистам в данной области техники.
На чертеже не показан стальной кожух электролизера и выполненное из стали укрытие, ограничивающие реакционную камеру электролизера, футерованную по своим дну и боковым стенкам огнеупорными кирпичами. Катодный блок 4 находится в непосредственном контакте со слоем 6 расплавленного металла алюминия, который покрыт ванной 7 расплавленного электролита. Электрический ток входит в электролизер через аноды 8, проходит через электролитную ванну 7 и слой 6 расплавленного металла, а затем входит в катодный блок 4. Ток отводится из электролизера посредством чугуна 5 по катодным токоотводящим стержням 2, проходящим от шин снаружи стенки электролизера. Электролизер устроен симметрично, на что указывает центральная ось C электролизера.
Как показано на фиг.1, линии 10 электрического тока в электролизере предыдущего уровня техники распределены неоднородно и сконцентрированы более к концам токоотводящего стержня на боковом краю катода. Самое низкое распределение тока обнаружено в середине катода 1. Профили локализованного износа, наблюдаемые на катодном блоке 4, являются наиболее глубокими в области самой высокой плотности электрического тока. Данное неоднородное распределение тока является главной причиной эрозии, прогрессирующей от поверхности катодного блока 4 до тех пор, пока она не достигает токоотводящего стержня 2. Эрозия данного характера обычно приводит к W-образной форме поверхности катодного блока 4.
На фиг.2 изображен катод 1 предыдущего уровня техники. Токоотводящий стержень 2 имеет прямоугольное поперечное сечение и изготовлен из низкоуглеродистой стали. Он вставлен в предназначенный для токоотводящего стержня паз 3 угольного или графитового катодного блока 4 и присоединен к нему чугуном 5. Паз 3 предыдущего уровня техники имеет плоскую верхнюю поверхность и глубину, составляющую в диапазоне от 100 до 200 мм. Боковые поверхности паза 3 могут быть плоскими или слегка вогнутыми (в форме ласточкина хвоста). Хотя стальной токоотводящий стержень 2 крепят к такому блоку обычно посредством чугуна 5, набивная подовая масса или высокотемпературный клей также являются подходящими для крепления токоотводящего стержня 2 к катодному блоку 4.
На фиг.3 изображен катод 1 согласно этому изобретению. Токоотводящий стержень 2 предыдущего уровня техники имеет прямоугольное поперечное сечение и изготовлен из низкоуглеродистой стали. Он вставлен в предназначенный для токоотводящего стержня паз 3 угольного или графитового катодного блока 4 и присоединен к нему чугуном 5. Паз 3 имеет неплоскую верхнюю поверхность, а его глубина увеличивается к его центру С. Глубина паза 3 в центре С блока может отклоняться на величину от 10 до 60 мм по отношению к глубине паза 3 на боковых краях блока. Учитывая, что глубина паза 3 на боковых краях блока составляет от 100 до 200 мм, полная глубина паза 3 в центре С блока может составлять в диапазоне от 110 до 260 мм.
Как показано на фиг.4А, В, паз 3 может также иметь, например, полукруглую или полуэллипсоидальную форму, и эта форма может содержать одну или более ступеней.
Также на фиг.4А, В показано, что неплоскостность верхней поверхности паза 3 не обязательно должна начинаться непосредственно от боковых краев блока, при этом паз 3 может иметь начальную плоскую верхнюю поверхность на обоих боковых краях блока, простирающуюся на 10-1000 мм от каждого края.
Паз 3, согласно этому изобретению, вырезают в катодном блоке 4, используя стандартные производственное оборудование и процедуры, используемые для пазов 3 предыдущего уровня техники.
В катодах 1, содержащих такие катодные блоки 4 по изобретению и стальные токоотводящие стержни 2 предыдущего уровня техники, электрические силовые линии 10, т.е. электрический ток, уведены от боковых краев блока к центру С блока, таким образом обеспечивая более однородное распределение тока по длине катодного блока 4.
На фиг.5 изображен катод 1 согласно этому изобретению. Катодный блок 4 имеет неплоский паз 3 для токоотводящего стержня согласно этому изобретению, как показанный на фиг.3. Стальной токоотводящий стержень 2 имеет треугольную форму, соответствующую конфигурации паза 3. Толщина токоотводящего стержня 2 увеличивается на поверхности, обращенной к верхней поверхности паза 3, по направлению к его центру С.
Хотя он изображен с треугольной формой, токоотводящий стержень 2 может также иметь, например, полукруглую или полуэллипсоидальную форму. Эта форма может включать одну или более ступеней.
В катодах 1, содержащих катодные блоки 4 по изобретению, а также стальные токоотводящие стержни 2 по изобретению, электрические силовые линии 10, т.е. электрический ток, уведены от боковых краев блока к центру С блока, таким образом обеспечивая более однородное распределение тока по длине катодного блока 4.
На фиг.6 изображен один вариант исполнения катода 1, согласно этому изобретению, как описано на фиг.5. В данном варианте исполнения стальной токоотводящий стержень 2 состоит не из одной цельной детали, а содержит плоский токоотводящий стержень 2 предыдущего уровня техники с прикрепленными к нему несколькими стальными пластинами 9 на поверхности, обращенной к верхней поверхности паза 3. Таким образом, в целом неплоская форма токоотводящего стержня 2 может быть получена без необходимости в обеспечении неплоского токоотводящего стержня 2 в виде одной цельной детали.
Ширина стальных пластин 9 сходная с шириной токоотводящего стержня 2. Толщина этих стальных пластин может быть выбрана в соответствии с проектом, а также производственными соображениями. Длина стальных пластин 9 уменьшается ступенчато в соответствии с проектом, а также производственными соображениями. Края стальных пластин 9 могут быть скруглены или скошены.
К токоотводящему стержню 2 прикреплена по меньшей мере одна такая стальная пластина 9.
Стальные пластины 9 прикрепляют к токоотводящему стержню 2, а также друг к другу с помощью сварки, склеивания, гаек и болтов или любого другого общеизвестного способа.
Для того чтобы добиться усовершенствованного теплового расширения стального токоотводящего стержня, а также стальных пластин и гарантировать надлежащий электрический контакт, предпочтительный вариант воплощения этого изобретения заключается в размещении упругой графитовой пленки между отдельными стальными деталями. Вместо стали могут использоваться другие металлы, такие как медь.
Также в объем настоящего изобретения входит закрепление двух коротких токоотводящих стержней 2 симметрично к стальному блоку, который является более высоким, чем токоотводящие стержни 2, и использование такого сборного токоотводящего стержня 2 для изготовления катода 1 согласно этому изобретению.
На фиг.7 схематически показан трехмерный вид сверху катода 1, согласно этому изобретению, изображающий катод по изобретению, описанный на фиг.6. На этой фигуре чугун 5 не показан в целях упрощения. На фиг.7 скорее показана установка катода 1 перед тем, как чугун 5 заливают в паз 3 для токоотводящего стержня. В данном варианте воплощения токоотводящий стержень 2 оснащен четырьмя стальными пластинами 9, таким образом обеспечивая в целом почти треугольную форму токоотводящего стержня 2.
На фиг.8 показан схематический вид в сечении электролизера для производства алюминия с катодом 1, согласно этому изобретению, как показанный на фиг.6. По сравнению с предыдущим уровнем техники (фиг.1), линии 10 распределения тока в электролизере распределены более равномерно по длине катода 1 благодаря предложенной в изобретении форме паза 3 для токоотводящего стержня и токоотводящего стержня 2.
Хотя на чертежах изображены катодные блоки 4 или их части, имеющие один единственный паз 3 для токоотводящего стержня, это изобретение аналогичным образом применимо к катодным блокам 4 с более чем одним пазом 3 для токоотводящего стержня.
Хотя на чертежах изображены катоды 1 с единственными токоотводящими стержнями 2 в каждом пазу 3 для токоотводящего стержня, это изобретение аналогичным образом применимо к катодам 1 с более чем одним токоотводящим стержнем 2 в каждом пазу 3 для токоотводящего стержня. В альтернативном варианте два коротких токоотводящих стержня 2 могут быть вставлены в паз 3 для токоотводящего стержня и соединены друг с другом в центре C катодного блока 4, при этом оба токоотводящих стержня 2 имеют каждый по меньшей мере одну стальную пластину, прикрепленную к ним на конце, обращенном к другому токоотводящему стержню 2.
Далее изобретение описано посредством следующих примеров.
Пример 1
100 частей нефтяного кокса с размером частиц от 12 мкм до 7 мм смешивали с 25 частями пека при 150°C в лопастном смесителе в течение 40 минут. Полученную массу экструдировали в блоки размерами 700×500×3400 мм (ширина×высота×длина). Эти так называемые сырые блоки помещали в кольцевую печь, засыпали металлургическим коксом и нагревали до 900°C. Затем полученные в результате карбонизированные блоки нагревали до 2800°C в продольной графитизационной печи. После этого необработанные катодные блоки обрезали до их окончательных размеров 650×450×3270 мм (ширина×высота×длина). В каждом блоке вырезали два паза для токоотводящего стержня шириной 135 мм и глубиной, увеличивавшейся от 165 мм в глубину на боковых краях до 200 мм в глубину в центре блока. После этого в эти пазы вставили обычные стальные токоотводящие стержни. Электрическое подключение выполнили обычным путем заливки жидкого чугуна в зазор между токоотводящими стержнями и блоком. Катоды помещали в алюминиевый электролизер. Полученное в результате распределение плотности тока сравнили с таковым у катодов предыдущего уровня техники, и оно оказалось более гомогенным.
Пример 2
Катодные блоки, обрезанные до их окончательных размеров, изготовили согласно примеру 1. В каждом блоке вырезали два паза для токоотводящего стержня шириной 135 мм и глубиной, увеличивавшейся от 165 мм в глубину на боковых краях до 200 мм в глубину в центре блока.
Два стальных токоотводящих стержня, согласно этому изобретению, изготовили посредством приварки одной стальной пластины шириной 115 мм, толщиной 40 мм и длиной 800 мм по центру к стальному токоотводящему стержню той же шириной 115 мм и высотой 155 мм в их центре на поверхности, обращенной в итоге к верхней поверхности паза.
Два изготовленных таким образом стальных токоотводящих стержня вставили в пазы. Электрическое подключение выполнили обычным путем заливки жидкого чугуна в зазор между токоотводящими стержнями и блоком. Катоды помещали в алюминиевый электролизер. Полученное в результате распределение плотности тока сравнили с таковым у катодов предыдущего уровня техники, и оно оказалось более гомогенным.
Имея описанные таким образом предпочтительные в настоящее время варианты воплощения настоящего изобретения следует понимать, что изобретение может быть воплощено иным образом без отступления от сущности и объема нижеследующей формулы изобретения.
Обозначения на фигурах
(1) катод
(2) стальной токоотводящий стержень
(3) паз для токоотводящего стержня
(4) угольный или графитовый катодный блок
(5) чугун
(6) слой расплавленного алюминия
(7) ванна расплавленного электролита
(8) анод
(9) стальная пластина
(10) линии распределения тока в электролизере